آنتی‌بادی‌ها یا ایمونوگلوبولین‌ها (Immunoglobulins) گروهی از گلیکوپروتئین‌های اختصاصی سیستم ایمنی هستند که توسط لنفوسیت‌های B و سلول‌های پلاسما تولید شده و نقش اصلی آن‌ها شناسایی و حذف عوامل بیماری‌زا و سایر آنتی‌ژن‌های بیگانه است. ویژگی بارز این مولکول‌ها توانایی شناسایی اختصاصی آنتی‌ژن‌ها از طریق نواحی متغیر و برقراری پاسخ‌های مؤثر ایمنی از طریق نواحی ثابت است. این ویژگی موجب شده است که آنتی‌بادی‌ها علاوه بر نقش طبیعی خود در سیستم ایمنی، به یکی از مهم‌ترین ابزارهای تشخیصی، تحقیقاتی و درمانی در پزشکی نوین تبدیل شوند.

ساختار یک آنتی‌بادی به‌صورت مولکولی Y شکل است که از دو زنجیره سنگین (Heavy chain; HC) و دو زنجیره سبک (Light chain; LC) یکسان تشکیل شده است. هر زنجیره سبک از یک دومین متغیر (Variable domain; VL) و یک دومین ثابت (Constant domain; CL)  تشکیل می‌شود، در حالی که زنجیره سنگین در مولکول IgG شامل یک دومین متغیر (VH) و سه دومین ثابت (CH1، CH2 و CH3) است. در ایزوتیپ‌های IgM و IgE یک دومین ثابت اضافی (CH4) نیز وجود دارد. دو زنجیره سنگین توسط پیوندهای دی‌سولفیدی به یکدیگر متصل می‌شوند و هر زنجیره سبک نیز از طریق پیوند دی‌سولفیدی به زنجیره سنگین متناظر خود متصل است. علاوه بر این، هر دومین ایمونوگلوبولینی دارای پیوند دی‌سولفیدی درون‌زنجیره‌ای است که موجب پایداری ساختار سه‌بعدی آن می‌شود.

در هر دو زنجیره، نخستین دومین از انتهای آمینی، ناحیه متغیر VH و VL را تشکیل می‌دهد که مسئول شناسایی آنتی‌ژن است. در مقابل، سایر دومین‌ها نواحی ثابت CH و CL را تشکیل می‌دهند که در عملکردهای بیولوژیک آنتی‌بادی، از جمله اتصال به گیرنده‌های Fc و فعال‌سازی سیستم کمپلمان، نقش دارند. درون نواحی متغیر، سه ناحیه با تنوع توالی بسیار زیاد به نام نواحی تعیین‌کننده مکملیت (CDRs: Complementarity Determining Regions) وجود دارد که توسط نواحی نسبتاً پایدار موسوم به Framework Regions (FRs) احاطه شده‌اند. سه CDR موجود در زنجیره سنگین و سه CDR موجود در زنجیره سبک در کنار یکدیگر جایگاه اتصال آنتی‌ژن را تشکیل می‌دهند. تنوع بالای این نواحی که حاصل بازآرایی ژن‌های V، D و J و همچنین هایپرجهش سوماتیک در لنفوسیت‌های B بالغ است، امکان شناسایی میلیون‌ها آنتی‌ژن مختلف را فراهم می‌کند.

از نظر عملکردی، هر مولکول آنتی‌بادی از دو بخش اصلی شامل دو قطعه اتصال به آنتی‌ژن (Fragment antigen binding Fab:) و یک قطعه تبلورپذیر (Fc: Fragment crystallizable) تشکیل شده است. هر قطعه Fab از اتصال دومین‌های VH و CH1 زنجیره سنگین با دومین‌های VL و CL زنجیره سبک تشکیل می‌شود و جایگاه اختصاصی اتصال به آنتی‌ژن را ایجاد می‌کند. کوچک‌ترین واحدی که همچنان توانایی شناسایی اختصاصی آنتی‌ژن را حفظ می‌کند، قطعه Fv (fragment variable) است که تنها از دومین‌های VH و VL تشکیل شده است. دو قطعه Fab از طریق ناحیه انعطاف‌پذیری موسوم به Hinge به بخش Fc متصل می‌شوند. وجود این ناحیه باعث افزایش تحرک بازوهای آنتی‌بادی شده و امکان اتصال هم‌زمان به اپی‌توپ‌هایی با فاصله‌های متفاوت را فراهم می‌کند. در مقابل، بخش Fc که از دومین‌های ثابت زنجیره‌های سنگین تشکیل شده است، مسئول ایجاد پاسخ‌های ایمنی پس از اتصال آنتی‌بادی به آنتی‌ژن است. این بخش از طریق اتصال به گیرنده‌های Fc روی سلول‌های ایمنی و نیز فعال‌سازی مسیر کلاسیک کمپلمان، در فرآیندهایی مانند اپسونیزاسیون، فاگوسیتوز، سمیت سلولی وابسته به آنتی‌بادی (ADCC) و حذف کمپلکس‌های ایمنی نقش اساسی ایفا می‌کند.

آنتی‌بادی‌ها از نظر ساختمان و عملکرد به پنج ایزوتیپ شامل IgG، IgM، IgA، IgD و IgE تقسیم می‌شوند. IgG فراوان‌ترین آنتی‌بادی سرم بوده و مهم‌ترین نقش را در ایمنی هومورال و بسیاری از کاربردهای درمانی ایفا می‌کند IgM .نخستین آنتی‌بادی تولیدشده در پاسخ اولیه ایمنی است و معمولاً به‌صورت پنتامر ترشح می‌شود. IgA عمدتاً به‌صورت دایمر در ترشحات مخاطی یافت می‌شود و در محافظت از سطوح مخاطی نقش دارد. IgE در واکنش‌های آلرژیک و دفاع علیه انگل‌ها مشارکت می‌کند، در حالی که IgD عمدتاً به‌عنوان گیرنده سطحی لنفوسیت‌های B بالغ عمل می‌کند.

آنتی‌بادی‌ های نوترکیب

شناخت دقیق ارتباط میان ساختار و عملکرد آنتی‌بادی‌ها زمینه را برای توسعه فناوری آنتی‌بادی‌های نوترکیب فراهم کرده است. در روش‌های کلاسیک تولید آنتی‌بادی، به‌ویژه فناوری هیبریدوما، تولید آنتی‌بادی به پاسخ ایمنی حیوان وابسته است و آنتی‌بادی‌های حاصل معمولاً منشأ موشی دارند. این موضوع می‌تواند در کاربردهای درمانی موجب بروز پاسخ ایمنی علیه آنتی‌بادی و کاهش اثربخشی درمان شود. فناوری DNA نوترکیب این محدودیت را برطرف کرده و امکان طراحی، اصلاح و تولید آنتی‌بادی‌هایی با ویژگی‌های اختصاصی را فراهم ساخته است. بر این اساس، ابتدا آنتی‌بادی‌های کایمریک تولید شدند که در آن‌ها نواحی متغیر منشأ موشی و نواحی ثابت منشأ انسانی دارند. در مرحله بعد، آنتی‌بادی‌های انسانی‌شده توسعه یافتند که تنها نواحی CDR آن‌ها از منشأ موشی باقی مانده و سایر بخش‌های مولکول انسانی است. در نهایت، با استفاده از فناوری‌هایی مانند فاژدیسپلی و موش‌های تراریخته، امکان تولید آنتی‌بادی‌های کاملاً انسانی فراهم شد که کمترین میزان ایمنی‌زایی را دارند.

علاوه بر آنتی‌بادی کامل نوترکیب (Recombinant IgG)، فرمت‌های متعددی از قطعات آنتی‌بادی نیز طراحی شده‌اند که هر یک برای کاربردهای خاصی مناسب هستند. قطعه  Fab کوچک‌تر از IgG بوده و تنها دارای یک جایگاه اتصال به آنتی‌ژن است و به دلیل نداشتن بخش Fc، کمپلمان را فعال نمی‌کند scFv (Single-chain variable fragment) از اتصال دومین‌های VH و VL توسط یک پپتید رابط (Linker) تشکیل شده و کوچک‌ترین قطعه‌ای است که توانایی اتصال اختصاصی به آنتی‌ژن را حفظ می‌کند. اندازه کوچک، نفوذ مناسب در بافت‌ها و امکان تولید آسان در باکتری‌ها، این فرمت را به گزینه‌ای مناسب برای بیوسنسورها، ایمونوتوکسین‌ها و سلول‌های CAR-T تبدیل کرده است. کوتاه شدن طول Linker در scFv موجب تشکیل Diabody می‌شود که دارای دو جایگاه اتصال بوده و در برخی موارد قابلیت اتصال هم‌زمان به دو آنتی‌ژن مختلف را نیز دارد. از دیگر فرمت‌های توسعه‌یافته می‌توان به scFab، Minibody،  scFv-Fc و  Bispecific antibodies اشاره کرد که با هدف افزایش پایداری، بهبود نیمه‌عمر، افزایش قدرت اتصال یا ایجاد توانایی شناسایی هم‌زمان دو هدف مولکولی طراحی شده‌اند.

یکی از مهم‌ترین دستاوردهای مهندسی آنتی‌بادی، توسعه نانوبادی‌ها (Nanobodies) است. این مولکول‌ها از دومین متغیر آنتی‌بادی‌های فاقد زنجیره سبک در خانواده شترسانان (VHH) مشتق می‌شوند و در مقایسه با آنتی‌بادی‌های معمولی اندازه بسیار کوچک‌تر، پایداری حرارتی بیشتر، حلالیت بالاتر و نفوذ بافتی مطلوب‌تری دارند. همچنین به دلیل توانایی اتصال به اپی‌توپ‌های مخفی یا عمیق، در تصویربرداری مولکولی، تشخیص بیماری‌ها و درمان سرطان و بیماری‌های التهابی مورد توجه گسترده قرار گرفته‌اند.

امروزه آنتی‌بادی‌های نوترکیب به دلیل اختصاصیت بالا، امکان مهندسی ساختار، کاهش ایمنی‌زایی و قابلیت تولید در مقیاس صنعتی، جایگاه ویژه‌ای در پژوهش‌های زیست‌پزشکی، تشخیص آزمایشگاهی و درمان بیماری‌هایی نظیر سرطان، بیماری‌های خودایمنی و بیماری‌های عفونی پیدا کرده‌اند و توسعه نسل‌های جدید آن‌ها همچنان یکی از مهم‌ترین حوزه‌های پژوهشی در مهندسی زیستی و ایمونوتراپی به شمار می‌رود.

References:

1. Chiu ML, Goulet DR, Teplyakov A, Gilliland GL. Antibody structure and function: the basis for engineering therapeutics. Antibodies. 2019 Dec 3;8(4):55.
2. Zhang JH, Shan LL, Liang F, Du CY, Li JJ. Strategies and considerations for improving recombinant antibody production and quality in Chinese hamster ovary cells. Frontiers in bioengineering and biotechnology. 2022 Mar 4;10:856049.
3. Frenzel A, Hust M, Schirrmann T. Expression of recombinant antibodies. Frontiers in immunology. 2013 Jul 29;4:217.
4. Cellular and Molecular Immunologyby Drs. Abul K. Abbas