1989年，研究人员在骆驼的血液样本中发现了一种具有特殊功效的重链抗体，其可变区域拥有与抗原的完全结合的特点。为此，Ablynx公司研制出一种只包含VHH片段的抗体，该抗体尺寸极为细小，进一步引出了纳米抗体（Nanobody）的学术概念。
图1 纳米抗体
纳米抗体具有独特的结构和功能，例如强大的穿透性、稳定性和良好的水溶性，因此在疾病治疗、诊断和物质检测等领域受到了广泛关注。由于纳米抗体的体积较小，且缺乏抗体保守区域，因此，在进行生物学分析时，面临着更大的挑战。本文将深入探讨纳米抗体的结构、功能、药代动力学特征，并提出一种新的、具有通用性的ELISA系统（USCE），可以在不需要使用特异性试剂的情况下，快速、准确地建立一种灵敏的ELISA方法，从而大大减少了早期研发中生物分析的开发难度。
一、纳米抗体结构和功能介绍
根据图2，纳米抗体具有多种结构特征，这些特征与其功能密切相关，简而言之，它们的结构和功能特征如下：
（1）体积小（分子量小）：由于其结构仅包含重链可变区，使得该物质具有分子量极低（~15kd），这使得其具有更强的组织穿透性，并且在药物性能上具有极大的潜力。近年来随着心脑血管、癌症的患者越来越多，抗体药物展现出巨大的发展前景，针对不同的靶点，各个生物公司研发出不同的抗体药物用以治疗相应的病症，如治疗肿瘤微血管生成的贝伐珠单抗，（Cat：TKYR1001），罗氏公司研发的治疗淋巴瘤的利妥昔单抗（Cat：TKYR1004）等。2018年9月，EMA批准比利时生物技术公司Ablynx申请上市的全球首款纳米抗体药物caplacizumab（Cat：TKYR1265）。Caplacizumab是一个抗von Willebrand 因子（vWF）纳米抗体，用于治疗一种叫做获得性血栓性血小板减少性紫癜（aTTP）的罕见病，为纳米抗体药物的研发开启了新的征程。
图2. 纳米抗体基本结构以及和单抗的比较
（2）具备CDR1, CDR2, CDR3（Complementarity-determining region）互补决定区，和骨架区域FR （framework region），如图3。在FR2区域，具有高度保守的亲水性氨基酸，而在IgG 重链可变区（VH），则具有更高的保守性，其上的氨基酸更加亲水/更小，如F42 or Y42、 E49、 R50 and G52和 R50 and G52。由于疏水相互作用的存在，IgG VH和vl之间形成了6个CDR区域，从而使得它们能够稳定地结合在一起，而VHH的亲水性则有助于它们在单体状态下保持稳定，避免了聚集的可能性。然而，当IgG VL VH浓度较高时，也会出现聚集和错配的情况。
图3. IgG VH和重链抗体VHH的CDR和FR区域示意图
（3）相比于IgG，纳米抗体VHH的CDR3区域更加宽阔，这样就能够填补VL domain的不足。CDR3区域的宽度决定了纳米抗体VHH的特异性，同时也保证了其与抗原之间的强结合。此外，纳米抗体还能够延伸至一些常规抗体无法到达的表位（epitope）。
（4）纳米抗体VHH其内部存在环间二硫键，这些额外的二硫键帮助其在恶劣环境中仍然可以维持构象的稳定，纳米抗体往往相对常规抗体更耐高温，酸碱pH或有机溶剂。
（5）纳米抗体易在细菌、酵母、真菌等微生物系统中进行体外原核/真核细胞的表达扩增，从而能够以较低的成本进行大量生产。泰克生物建立了一套完整的蛋白表达，蛋白发酵，蛋白小试与中试规模的工艺技术支持。可以提供原核表达、酵母表达、哺乳动物表达、昆虫表达等多种表达系统，泰克生物制备纳米抗体使用哺乳动物表达体系，包括但不限于FreeStyle 293-F cell line和Expi CHO-S等细胞系，配合泰克生物设计的高表达载体（含有全长的CMV启动子以及优化后的分泌信号肽序列）进行重组抗体表达与制备。
纳米抗体是一种由骆驼科动物产生的抗原结合物，其可变区域可以是VHH，也可以是Ig-NAR（new antigen receptor），甚至可以是variable new antigen receptor，它们都是抗原结合物中最小的形式，如图4所示。其仅含有CDR1和CDR3，而且分子量极低（~12kd）。
图4. IgG，骆驼科动物产生的重链抗体和鲨鱼等软骨鱼类产生的IgNAR抗体比较
二、纳米抗体的药代动力学性质及优化策略
由于结构上的相似性，纳米抗体单体之间在ADME特征上存在一定的共性，如图5所示，二者之间具有一些共同的特征，可以用来指导抗体的应用。
图5. 纳米抗体单体ADME特征总结
通常来说，纳米抗体的吸收具有非线性药代动力学特征，血浆药物达到峰值后迅速下降（IV,SC）。IV给药的Cmax呈线性增加，而AUC则呈非线性增加，且增加幅度低于剂量比例。纳米抗体通常存在于血液循环中，如肾脏和肝脏。其代谢和排泄主要通过肾脏进行，但也可能通过肝脏或ADA介导的方式进行。
尽管纳米抗体具有独特的优势，但也存在明显的缺陷，为了满足药物性能的需求，纳米抗体结构的优化通常会从以下几个方面进行：
人源化：VHH抗体是一种来自全骆驼的抗体，其免疫原性很强，所以通常需要经过人工处理。然而，完全人工处理后的VHH抗体会将FR2区域的亲水氨基酸转化为疏水氨基酸，这会导致溶解度和稳定性的问题。因此，通常需要对VHH抗体进行部分人工处理，以保留FR2区域的亲水氨基酸，这样的VHH抗体的免疫原性较弱，溶解度和稳定性也更好。
二聚/多聚化：通过二聚或多聚化，纳米抗体可以针对不同的靶蛋白，甚至是同一种蛋白的不同表位，从而提供更多的治疗机制，并且延长其半衰期。
偶联半衰期延长物（half-life extender）：通过设计特定的蛋白质偶联，或者针对HAS的血清白蛋白，可以显著延长VHH单体的半衰期，从而提高其生物学功能。这种方法通常被用于治疗糖尿病，如血糖异常、糖尿病肾病等。
小结
纳米抗体具有显著的优势，如体积小、穿透力强、稳定性好、水溶性好等，因此在治疗疾病、诊断和物质检测等领域受到广泛关注。近年来，通过多种修饰手段，纳米抗体的应用范围得到了进一步拓展，其成药性、生物检测等方面的优势和劣势也得到了明显的体现。泰克生物拥有丰富的临床生物分析经验，尤其是在纳米抗体药物的生物分析方面，其技术水平超越了传统的抗体分析方法，已完成了200+项目，其中包括数个IND项目，为临床提供了可靠的技术支持。通过建立的先进的生物分析平台，纳米抗体药物的开发者可以更有效地识别其体内PK特征，从而更快地完成各个研究阶段，为未来的安全性评估和临床应用奠定良好的基础。