基于虚拟突变与结合自由能计算的抗体亲和力体外成熟

The affinity of monoclonal antibody is an important factor for application of mAbs as therapeutic drug clinically, lots of methods have been used conventionally for antibody affinity maturation in vitro, such as antibody library technology experiments, the antibody gene random mutation and Ig chain displacement etc. But these methods often operation cumbersome, time consuming and uncertainties exist. On the basis of previous work, for the isolated monoclonal antibodies, this study utilize some computational structural biology, molecular simulation techniques, to establish a reliable model of Ag-Ab molecular docking, then shape matching, hydrogen bonds network, hydrophobic interactions, charge distribution and ionic bond formation will be fully taken into account. Finally virtual mutations, molecular dynamics simulations and binding free energy calculations are applied to achieve rational design affinity optimization in silicon. Combined with the biological experiments, especially the direct determination of antibody affinity, the results of molecular modeling calculations will be verified. The project will combine molecular simulation technology with biological experiments, as a new computer-aided method of antibody affinity maturation in vitro which can be developed to reduce the experimental period, improve the efficiency of antibodies R & D greatly with great practical value. Meanwhile, this study will explore the theory of the molecular simulation such as structure prediction, molecular docking, moleclular dynamics simulation of moclonal antiboies with great theoretical significance.

抗体的亲和力是影响抗体能否作为药物应用的重要因素。传统的进行抗体亲和力成熟的实验方法操作繁琐、实验周期长、存在很多不确定性因素。本项目在前期工作的基础上，对课题组己经分离出来的多株低亲和力单克隆抗体利用计算结构生物学中一系列分子模拟技术建立可靠的抗原抗体分子对接模型，从抗原与抗体相互作用的形状匹配、氢键网络、疏水效应、电荷分布、阴/阳离子π键作用等因素出发，以使抗原-抗体结合自由能降低为突变导向，利用虚拟突变与分子动力学模拟在计算机水平上实现抗体亲和力体外成熟的分子设计。最后结合相关的生物学实验尤其是抗体亲和力的直接测定，对分子模拟计算与抗体分子设计的结果进行验证。本项目将分子模拟技术与生物学实验结合在一起，期望建立一种快速有效的计算机辅助抗体亲和力体外成熟的新方法，以减少抗体研发实验周期提高抗体研发效率，具有理论研究意义与实际应用价值。

本课题的主要目的是利用分子模拟技术与生物学实验相结合的方法，对重点的单克隆抗体进行亲和力体外成熟。.我们在前期应用人源化后的MR1模型hMR1（一株鼠抗人EGFRvIII的单克隆抗体，PDB-ID: 1i8i）、实验室自己分离得到的全人源抗补体抑制因子（CFH）抗体与抗原复合物等模型，研究了抗原与抗体的相互作用及复合物的分子动力学模拟，并应用虚拟突变、实验与计算的丙氨酸扫描及ITC实验测定了突变前后抗体的亲和力的变化。.利用几种人源化方案对鼠抗体MR1进行了人源化改造，并对不同人源化抗体的结合自由能进行了计算，相应的利用实验进行了亲和力的测定，并进行了综合比较分析，提出了最适合用于抗原与抗体复合物分析与结合自由能计算的力场与溶剂水模型。.利用分子对接计算研究了实验室自己分得到的全人源抗CFH抗体与其抗原的相互作用模型，并用实验与计算的丙氨酸扫描对分子对接的结果进行了确认和验证。然后通过MM-PBSA分析了各个氨基酸残疾能量的贡献值。.在整个项目执行过程中，我们对抗原与抗体相互作用的细节从结构、分子动力学模拟、结合自由能、残基分解及实验验证等几个方法进行了研究，总体研究计划执行情况为正常。得到了一些重要的结论，但也遇到了一些问题。期间在此项目资助下，发表相关SCI收录文章3篇，申请相关发明专利14项，得到授权发明专利1项，并与国外建立了多项合作交流。