纳米抗体是什么？VHH优势、发现筛选与工程化改造-纳米抗体专题-泰克生物—酵母与噬菌体展示CRO，纳米抗体与抗体药物开发专家

纳米抗体是什么？VHH优势、发现筛选与工程化改造

在药物单抗中，传统单克隆抗体（mAb）长期占据统治地位。它们像精准的“生物导弹”，在肿瘤、自身免疫病和感染性疾病治疗中屡建奇功。但mAb并非完美——约150kDa的大分子量，让其在组织穿透、实体瘤渗透和某些特殊靶点识别上存在一定的限制。而纳米抗体（Nanobody），这个仅有15kDa的“微型导弹”，打破了这个局面。

图1 传统IgG抗体与纳米抗体结构特征

什么是纳米抗体？

纳米抗体，学名VHH或单域抗体（sdAb），源自骆驼科动物（羊驼、骆驼等）体内天然存在的一类特殊抗体——重链-only抗体。这类抗体缺失轻链，其抗原结合能力完全由一个重链可变域承担，这就是纳米抗体。与传统抗体相比，纳米抗体的优势：

(1) 尺寸极小。15kDa的分子量仅为传统IgG的十分之一，意味着更好的组织渗透性和更快的血液清除（后者既是优点也是需要工程化改造的缺点）。

(2) 稳定性极强。纳米抗体在高温、极端pH、蛋白酶环境中仍能保持构象稳定，这与其单域结构和FR2区域亲水性氨基酸的替换密切相关。

(3) CDR3环更长。骆驼科VHH的CDR3环显著长于人类VH结构域，能够形成“指状延伸”，深入传统抗体难以触及的酶活性口袋或受体裂隙。

(4) 低免疫原性且易于人源化。VHH 与人类 VH 基因序列具有高度同源性，通过CDR移植或表面重塑即可进一步降低免疫原性。

纳米抗体的发现与筛选：

纳米抗体的发现策略决定了其多样性与亲和力的上限。目前主流方法可分为三类：免疫文库、天然文库和合成文库。

(1) 免疫文库：最经典也最高效的策略。研究人员用目标抗原免疫羊驼或骆驼，数周后从其外周血淋巴细胞中提取mRNA，通过PCR扩增VHH基因序列，克隆入噬菌体或酵母展示载体。由于动物体内已经发生了亲和力成熟，从免疫文库中筛选出的纳米抗体通常具有纳摩尔级甚至皮摩尔级的高亲和力。但这一方法的局限性也很明显：需要动物设施、免疫周期较长，且只能针对单一抗原。

(2) 天然文库：来自未经免疫的骆驼科动物，理论上可以筛选针对任何抗原的纳米抗体，无需动物免疫。然而，天然文库的初始亲和力通常较低，往往需要后续的亲和力成熟步骤才能达到治疗级水平。

(3) 合成文库：通过理性设计CDR环区的氨基酸多样性，并将这些多样性移植到经过优选的稳定框架上，研究人员可以构建出高度可控的纳米抗体库。

图2 纳米抗体发现途径

纳米抗体工程化改造和治疗：

纳米抗体基于结构简单、单基因编码、易于融合表达的特点，使其易于改造和修饰，并且在疾病治疗方面展现出显著优势。

(1) 多价与多特异性：将两个或多个纳米抗体通过柔性连接肽串联，可以构建双特异性或三特异性分子。例如，双特异性纳米抗体可以同时结合肿瘤细胞表面的抗原和T细胞表面的CD3，从而将T细胞重定向至肿瘤部位。

(2) 半衰期延长：天然纳米抗体的血液半衰期仅为数小时，肾脏清除速度极快。解决策略包括：与抗血清白蛋白纳米抗体融合、PEG化修饰，或与Fc片段融合。例如，抗CTLA-4纳米抗体H11与抗血清白蛋白VHH融合后，半衰期显著延长，在murine模型中展现出优于传统抗体的抗肿瘤效果。

(3) 纳米抗体-药物偶联物（NDC）：将纳米抗体的精准靶向能力与细胞毒性药物结合。相比传统抗体药物偶联物，NDC具有更好的组织穿透性，尤其适合实体瘤治疗。此外，纳米抗体还被广泛应用于CAR-T细胞的抗原识别域改造，以及靶向蛋白降解等新兴领域。

(4) 诊断与成像：纳米抗体的快速清除特性成为优势，标记放射性核素或荧光染料的纳米抗体可以在数小时内完成靶向成像，背景信号低，适合当日完成诊断流程。

图3 基于纳米抗体的工程化改造和治疗方式

小结：

尽管传统抗体在抗体-药物偶联物等成熟技术领域仍占据主导地位，但纳米抗体已在此前未被充分开发的应用领域展现出卓越性能。随着纳米抗体在下一代成像应用中的广泛应用，以及其潜在的生物医学用途——如药物偶联、免疫治疗和药物递送载体，纳米抗体在未来几年将继续保持其极为出色的进展轨迹。

图4 泰克生物基于噬菌体展示技术的纳米抗体开发流程图

泰克生物科技（天津）有限公司基于噬菌体展示技术和酵母展示技术建立了完善的纳米抗体候选分子发现服务平台，能够为客户提供高质量的基于小羊驼、大羊驼以及骆驼的纳米抗体发现服务及下游的抗体表达验证服务（包括EC50验证、BLI/SPR亲和力验证、流式验证等多种抗体初步成药性评估服务）和产品开发服务（包括ADC药物、双特异性抗体、CAR-T设计与构建服务等），为各类客户的科研项目提供有力的技术支持和数据支持。

参考文献：

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[2] Blueggel M, et al. Small but mighty: the versatility of nanobodies in modern medicine. Nanoscale Horizons. 2025;10(10):2158-2171.

[3] Babamohamadi M, et al. Anti-CTLA-4 nanobody as a promising approach in cancer immunotherapy. Cell Death & Disease. 2024;15:17.

[4] Verma V, et al. Nanoscale warriors against viral invaders: a comprehensive review of Nanobodies as potential antiviral therapeutics. mAbs. 2025;17(1):2486390.

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