纳米抗体与单域抗体：小型生物药的设计要点

纳米抗体（nanobody, VHH）来自骆驼科动物的重链抗体，只有一个可变结构域（约 15 kDa），却能独立结合抗原。它是常规单抗（约 150 kDa）之外一类重要的生物药形式。

结构特点

特点	常规抗体 Fab	纳米抗体 VHH
分子量	约 50 kDa	约 15 kDa
结构域	VH + VL + CH1 + CL	仅 VH 样单域
抗原结合面	六个 CDR	三个 CDR（H1、H2、H3）
CDR3 长度	中等	通常更长，补偿缺失的轻链
结合面形状	较平坦	凸出，可深入凹陷
热稳定性	中等	通常更高，部分可复性
组织穿透	较差	好
半衰期	长（FcRn 循环）	短（肾清除快）
生产	哺乳细胞	可用微生物表达，成本低

四个特征性框架残基

VHH 在框架区 2（对应常规 VH 与 VL 的配对界面）有四个特征性的亲水性替换（Kabat 编号 37、44、45、47 位）：常规 VH 在这些位置是疏水残基（用于与 VL 配对），而 VHH 改成了亲水残基。

• 这是 VHH 能独立存在而不聚集的关键——没有轻链来遮盖疏水面，就把疏水面本身改掉；
• 这也是「骆驼化（camelization）」人源 VH 的核心思路：引入这些替换，让人源 VH 单域也能稳定存在；
• 做人源化 VHH 时，这些位置要谨慎处理——改回人源疏水残基可能导致聚集。

优势场景

• 凹陷表位：凸出的 CDR3 能深入酶活性位点、病毒表面凹陷、GPCR 口袋——这些是常规抗体平坦结合面够不到的地方。
• 组织穿透：小尺寸利于穿透实体瘤、跨越生物屏障。
• 模块化构建：易于串联成双特异、多价形式，或与其它模块融合。
• 细胞内应用：部分 VHH 可在细胞内折叠（intrabody），用于靶向胞内蛋白。
• 成像与诊断：短半衰期有利于快速清除背景信号。
• 低成本生产：可在大肠杆菌、酵母中高效表达。

需要解决的问题

• 半衰期短：15 kDa 低于肾小球滤过阈值（约 60 kDa），几小时即被清除。治疗用途几乎都需要延长半衰期：
  • 融合 Fc 片段（同时获得 FcRn 循环与效应功能）；
  • 融合白蛋白结合模块（另一个 VHH 结合血清白蛋白）；
  • PEG 化；
  • 多价化增大分子量。
• 免疫原性：骆驼来源序列对人是外源的，需要人源化。但要注意上述四个框架残基的处理。
• 缺少效应功能：无 Fc 则无 ADCC/CDC，需要时要融合 Fc。

计算工具

# 结构预测：有专门优化的模型
from ImmuneBuilder import NanoBodyBuilder2

predictor = NanoBodyBuilder2()
nb = predictor.predict({"H": nanobody_sequence})
nb.save("nanobody.pdb")

# 编号与 CDR 提取
from abnumber import Chain
ch = Chain(nanobody_sequence, scheme="imgt")
print("CDR3:", ch.cdr3_seq, f"(长度 {len(ch.cdr3_seq)})")

# 检查特征性框架残基（Kabat 37, 44, 45, 47）
# 这四个位置是 VHH 的标志

# 复合物预测：Boltz / AF-Multimer 都支持（见 344、371）
# VHH-抗原复合物的预测通常比常规抗体更可靠 ——
# 因为只有三个 CDR，且没有 VH-VL 界面的不确定性

从头设计的进展

VHH 的单域性质让它成为从头蛋白设计的良好目标（见 370《de novo 蛋白结合物设计》）：

• 只需设计一个结构域，不必处理 VH-VL 配对；
• 骨架高度保守，可以固定框架只设计 CDR；
• 可用 RFdiffusion + ProteinMPNN 的管线（见 197《RFdiffusion》、196《ProteinMPNN》）；
• 但从头设计的结合物成功率仍然有限，计算过滤后的实验命中率通常在个位数到十几个百分点。

其它单域形式

形式	来源	特点
VHH / 纳米抗体	骆驼科	最成熟
VNAR	鲨鱼	更小（约 12 kDa），CDR3 更长
人源 VH 单域	人工工程	免疫原性低，但稳定性挑战大
非抗体骨架	DARPin、Affibody、Anticalin 等	非免疫球蛋白折叠，各有特点

延伸资源

• 抗体建模：364《抗体结构预测》、365《CDR Loop 建模》；从头设计：370《de novo 蛋白结合物设计》、197《RFdiffusion》；
• 可开发性：367《抗体可开发性 Developability》；免疫原性：368《免疫原性预测》。