抗表皮生长因子受体的金纳米人工抗体的结构机制与抗肿瘤性能研究

To mimic protein-like specific interactions and functions is a long-pursuing goal for nanotechnology. The key challenge is to precisely organize non-functional surface groups on nanoparticles (NPs) into specific 3D conformations to function in a concerted and orchestrated manner. After almost 10 years of efforts, we have finally developed a “conformational engineering” method to graft the complementary-determining regions (CDR) of natural antibodies onto NPs and reconstruct their “active” conformation to create gold NP (AuNP)-based artificial antibody, denoted as Goldbody. Upon anchoring the both terminals of the free CDR peptide, which has no defined conformation and function alone, on AuNPs, we managed to reconstruct the original “active” conformation of the CDR peptide in the natural antibody by tuning the span between the two terminals. As a result, the original specificity of the natural antibody has been successfully reconstructed on the AuNPs. Two Goldbodies have been created by this “conformational engineering” method to specifically bind with hen egg white lysozyme (HEWL) and epidermal growth factor receptor (EGFR), respectively. Goldbodies have several advantages as compared to the natural antibodies, including stronger affinity, much better stability and no humanization problem, and thus are very promising for biomedical applications. Based on this work, the current project is to demonstrate the structural mechanism of the binding between Goldbodies and their corresponding antigens by using alanine scanning technique, and to create gold nanorod-based anti-EGFR antibody as a dual-functional (photo-thermal therapy and antibody therapy) cancer therapeutics, after elucidating and optimizing the bio-effects of Goldbodies at cellular and animal tiers.

用纳米粒子模拟蛋白质是纳米科技的一个重要目标，其最大的挑战是像蛋白质那样通过精确的构象控制，使纳米粒子表面没有功能的基团协同作用产生新的功能。经过近十年探索，我们成功实现了对粒子表面柔性基团构象的控制。我们把没有特定构象和功能的多肽两端嫁接到金纳米粒子上，通过精确调整多肽两端的距离来控制其构象，赋予了纳米粒子和天然抗体一样的功能。应用这种“构象工程”方法，我们制备出两种分别识别溶菌酶和抗表皮生长因子(EGFR)的金纳米人工抗体(简称金抗体，Goldbody)。金抗体具有与天然抗体一样的特异性，而且与抗原结合更强，稳定性更好，不需要人源化，具有广阔生物医学应用前景。本项目拟在这一原创工作基础上，应用丙氨酸扫描突变技术，阐明金抗体与抗原结合的结构机制；并将在具有光热效应的金纳米棒上实现抗EGFR的抗体功能，然后在阐明和优化其细胞和动物生物效应的基础上，开发基于金抗体的双功能抗肿瘤纳米药物。

本项目围绕拟解决的关键科学问题，即阐明我们提出的“分子构象工程”概念及由此研发金纳米抗体(简称金抗体)的理论基础与结构机制，主要进行了如下三方面的工作：.1）金抗体的原理与结构机制研究：应用丙氨酸扫描突变等实验揭示金抗体与相应抗原的关键结合位点与其模拟的天然抗体的关键结合位点一样，从而证明构象工程方法成功地在金抗体中重建了多肽片段的天然活性构象，为分子构象工程和金抗体提供了最直接的结构机制证据；在此基础上提出的“限域下最低能量片段”假说揭示了天然蛋白质的折叠机制，同时也是金抗体制备中的构象工程技术的理论基础。.2）金抗体技术的推广：在不同尺寸的金纳米粒子和金纳米棒上研发了十余个靶向不同抗原的金抗体，特别是成功研发了靶向同一抗原不同表位的金抗体；另外，我们还把金抗体技术拓展到银纳米粒子上，制备出了全新的银抗体，证明了构象工程技术的普适性。.3）金抗体的应用基础研究：探索了金纳米粒子的聚乙二醇(PEG)化方法，证明了双头的PEG也可以用来协助多肽进行构象工程，大大降低了金抗体的成本及其非特异性吸附；在细胞水平和小动物水平上初步验证了抗抗表皮生长因子(EGFR)金抗体抗肿瘤的靶向性及光热和金抗体抑瘤的双功能活性；成功地将金抗体用于免疫分析，发展了基于金抗体的酶联免疫吸附测定方法（ELISA）和侧流免疫层析法(LFIA)。.总之，项目较好地完成了计划研究内容，达到预期研究目标。在项目资助下，共发表SCI论文19篇，另有部分内容相关的论文尚在整理中。项目的研究成果共获得中国专利授权8项。项目完成期间1名学生获得博士学位，10名学生获得硕士学位。此外，项目立项后，负责人以第三完成人获得了2018年度国家自然科学二等奖；项目成果“分子构象工程概念的提出及纳米人工抗体的创制”（项目负责人为第一完成人）2021年入选上海大学第一届十大学术进展。