單克隆抗體開發(fā)中最為耗時的一步，在于識別和鑒定。而AI抗體建模技術(shù)的進(jìn)步，有望顯著縮短識別周期、加快鑒定速度。如果事實(shí)證明AI真能擔(dān)起這副重?fù)?dān)，全面取代以往效率低下的手動或軟件形式的海量細(xì)胞受體序列分類，抗體研發(fā)必將翻開新的歷史篇章。

目前，全球民眾、特別是免疫抑制人群，迫切需要能夠預(yù)防和治療COVID-19病毒的特效藥。遺憾的是，COVID-19的變異一刻未停，因此不斷逃逸出現(xiàn)有抗體的識別范疇。雖然也有各種具備廣泛中和能力的抗體正在開發(fā)當(dāng)中，但其親和力又往往低于理想水平。面對種種現(xiàn)實(shí)難題，最近一篇論文帶來了新的希望：利用AI技術(shù)顯著提高抗體的結(jié)合親和力。

研究人員Parkinson等提出了一種名為RESP的AI管線，能夠高效且獨(dú)立識別出高親和力的候選抗體。在給定明確的抗體靶標(biāo)之后，RESP就能選擇最適合的抗體來改進(jìn)現(xiàn)有抗體。在RESP的幫助下，研究人員將現(xiàn)有藥物的結(jié)合親和力提升了近20倍。這樣的技術(shù)奇跡是如何產(chǎn)生的？RESP具備怎樣的功能構(gòu)造，未來又將如何改變抗體的研發(fā)思路？下面讓我們一同尋找答案。

RESP各組成部分

研究人員將這套人工智能系統(tǒng)劃分成四大組成部分。其一是要從更大的面板中為人類B細(xì)胞受體序列挑選出編碼方案。B細(xì)胞攜帶著用于編碼和產(chǎn)生抗體的基因序列。在快速識別人類B細(xì)胞受體序列之后，RESP即可過濾掉與研究目標(biāo)無關(guān)的其他序列。

第二大組成部分是酵母篩庫，用于證明突變對已識別抗體序列的相對影響。單一氨基酸的適度突變，可能會從根本上影響到特定抗體的結(jié)合與中和能力。之后，即可快速分析序列庫的不同要素，例如解離率、半衰期、結(jié)合親和力等。

第三大組成部分，是用于了解抗體潛在親和力的分類模型。RESP能夠分析并預(yù)測候選抗體的解離率，并選擇親和力最強(qiáng)的選項(xiàng)。解離率的本質(zhì)，是一種與親和力呈負(fù)相關(guān)的配體-蛋白質(zhì)結(jié)合成分。解離率越低，則代表親和力越高。研究人員指出，這套模型能夠針對不同抗原進(jìn)行再訓(xùn)練，從而進(jìn)一步擴(kuò)大RESP的適用范圍。

第四部分負(fù)責(zé)對前三部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，預(yù)測解離率顯著降低的B細(xì)胞序列，從而找到具有明顯更高親和力的抗體?？偠灾?，RESP的表現(xiàn)似乎令人印象深刻，但真正嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)論還要由數(shù)據(jù)來證明。

RESP測試

研究人員對RESP開展的第一項(xiàng)測試，就是重建序列和丟棄誘餌序列。研究人員向RESP引入了超270萬個人類B細(xì)胞受體序列，以及另外270萬個經(jīng)過多處修改的誘餌序列。RESP系統(tǒng)以高于99.99%的準(zhǔn)確率重建了540萬個序列；雖然在一定程度上受到了誘餌的誤導(dǎo)，但準(zhǔn)確率仍然高達(dá)97.4%。

接下來，研究人員又測試了酵母篩庫的有效性。他們選擇的是經(jīng)過批準(zhǔn)的單克隆抗體治療Atezolizumab，一種針對非小細(xì)胞肺癌的癌癥免疫療法，掃描了抗體編碼序列中可能提高解離率的潛在修飾。在發(fā)現(xiàn)抗體重鏈中的陽性突變之后，酵母篩庫揭示了超92000種至少在解離率上等于或低于Atezolizumab的獨(dú)特序列。

圖一：atezolizumab（淡藍(lán)色部分）與PD-L1（粉色部分）復(fù)合物的抗原結(jié)合片段空間填充模型。

憑借重建與酵母篩庫功能，RESP最終確定了21種比原始Atezolizumab親和力更高的最終候選序列。這21種序列在殘基A40、K43、T58、I70、N77、A79、S85、A97 和 R98 處通過多種組合攜帶突變。這些突變均未出現(xiàn)在原始Atezolizumab中，可能正是新的候選藥物具有更高親和力的原因。

圖二：Atezolizumab重鏈結(jié)構(gòu)中21個突變體的突變位置。重鏈（綠色）中的突變殘基被標(biāo)記為黃色；PD-L1部分為藍(lán)色，而輕鏈標(biāo)記為橙色。

其中4號突變體攜帶有I70A、A79T與A97V。與原始Atezolizumab相比，4號突變體的解離率明顯更低。最終，這一突變體與抗原的緯度緊密性，達(dá)到原始獲批藥物的17倍。

圖三：原始藥物與4號突變體間的解離率比較。

重大意義

與其他用例一樣，AI的參與有望顯著提高抗原的研發(fā)效率。RESP中最重要的元素就是其適應(yīng)性——不限于COVID-19抗體發(fā)現(xiàn)，也不限于特定癌癥研究，適度調(diào)整后的RESP也許能用于發(fā)現(xiàn)一切新型抗原或者改進(jìn)抗體候選物，甚至為目前的不治之癥找到抗體。

如果RESP在試運(yùn)行中就能找到正確的突變體，將結(jié)合親和力增加至獲批藥物的17倍，那么它在現(xiàn)在COVID-19藥物中一定也能發(fā)揮同樣的效力。雖然具體還須進(jìn)一步測試驗(yàn)證，但我們無疑有必要關(guān)注并積極推動RESP的后續(xù)發(fā)展。

RESP這類AI機(jī)制也是時候全面融入單克隆抗體的開發(fā)體系了。除了目前獲批抗體所遵循的SARS-CoV-2受體結(jié)合域之外，還出現(xiàn)了CV3-25（由Li等提出）等能夠?qū)⒉《镜腟1區(qū)域結(jié)合到刺突另一端的抗體。此外還有Dacon等人提出的COV44-62/79抗體，能夠結(jié)合融合肽。

圖四：bebtelovimab、Li和Dacon抗體的結(jié)合表位。

這些抗體中也廣泛中和有多種變體，只是在結(jié)合親和力上不及bebtelovimab或者Evusheld。在RESP的幫助下，也許我們可以對抗體做出輕微修改，借此產(chǎn)生更強(qiáng)大的單克隆抗體候選物、挽救更多人的生命。