抗体酶及其应用前景徐应容，党曦俻,石莹，周烨，顾昱晓摘要：催化抗体也叫抗体酶，是具有催化活性的免疫球蛋白.由于它兼具抗体的高度选择性和酶的高效催化性，因而催化抗体制备技术的开发预示着可以人为生产适应各种用途的，特别是自然界不存在的高效催化剂，对生物学、化学和医学等多种学科有重要的理论意义和实用价值.综述了催化抗体研究的最新进展，讨论了该领域目前存在的问题，提出了解决这些问题的可能办法。

1．概念介绍：1.1关于抗体：当人体（以及其它高等动物）受到外来抗原的刺激时，其免疫系统会根据抗原的特点（抗原表面决定簇）产生特定抗体。

一般来说，一种抗原可以刺激产生108种抗体，并且所产生的抗原均具备极高的特异性，即与抗原强烈结合。

1.2关于酶：首先，酶催化具有两个特征，即高催化效率和高选择性。

关于酶的催化机制，已有许多假说，但在众多观点中最有影响的是，鲍林(Pauling) 在1946年用过渡态理论阐明了酶催化的实质，即酶之所以具有催化活力是因为它能特异性结合并稳定化学反应的过渡态(底物激态)，从而降低反应能级。

他指出，酶通过某种方式与高能、短寿命的过渡态结合而起催化作用。

这个过渡态构型中某些键在形成，另一些键在断裂，存在时间极短，半衰期约为10 ~10 s，实际中极难捕获。

1.3二者对比：抗体和酶的根本不同在于前者是结合一个基态分子，并且抗原与抗体结合后会发生沉淀，一般条件下不会自动分离，而抗体选择性的结合一个化学反应的过渡态，帮助反应顺利进行，在完成反应后的瞬间与生成物迅速分离2.背景知识：1946年，Pauling用过渡态理论阐明了酶催化的实质，后经过Jencks等人的探索，他们发现，过渡态分子难以捕获，而过渡态类似物是能够模拟一个酶催化反应过渡态的结构的稳定物质，于是设想，只要寻找到与反应中决定性步骤的相应酶紧密结合的酶竞争性抑制剂，就等于发现了过渡态类似物；还有一种思路，就是这种类似物也能根据化学反应机制推测设计出来。

然后，以过渡态类似物为半抗原，利用哺乳动物的免疫系统，诱导与其互补构象的抗体产生，这种抗体即具有催化活性；接着，Kohler和Milstein于1975年发明了具有历史意义的单克隆技术，使抗体酶的生产成为可能。

1984年Lerner进一步推测：以过渡态类似物作为半抗原，则其诱发出的抗体即与该类似物有着互补的构象，这种抗体与底物结合后，即可诱导底物进入过渡态构象，从而引起催化作用。

根据这个猜想Lerner和P．C．Schultz分别领导各自的研究小组独立地证明了：针对羧酸酯水解的过渡态类似物产生的抗体，能催化相应的羧酸酯和碳酸酯的水解反应。

1986年美国《Science》杂志同时发表了他们的发现，并将这类具有催化能力的免疫球蛋白称为抗体酶（abzyme）或催化抗体（catalyticantibody）。

3.抗体酶的制备3.1抗体酶的制备原则实现抗体向酶转变的关键是抗原能诱导已具有酶活性的抗体。

要使抗体具备催化活性即要使其具备酶的特征，为使抗体具有酶的结构，就必须在抗原的结构上进行改造。

而抗体设计的原则就是酶的催化机制，故免疫学原理以及过渡态理论是抗体酶设计的主要依据。

酶－底物、抗体－抗原的结合模式是相近的，即均具有高亲和力和空间结构及电荷分布上的互补特性。

但上述两种结合对象不同，由于抗体仅仅与低能结构结合，所以通常情况下抗体不具备催化活性。

那么，若利用某一反应过渡态的模拟物作为抗原，则可得到催化该反应的抗体。

且这一过渡态类似物具有稳定结构，这样就可以用化学手段加以合成。

制备抗体酶的关键在于设计半抗原，只有这种特定的抗原才能诱导具有酶样结构与功能的抗体。

3.2制备抗体酶的主要策略3.2.1利用抗体稳定带电过渡态到目前为止，大多数抗体酶是通过理论设计合理的、与反应过渡态类似的小分子作为半抗原，继而让动物免疫系统产生针对半抗原的抗体来获得。

由于针对半抗原的抗体在几何形状和电学性质上与反应过渡态互补，故可以稳定过渡态，加速反应。

在这方面最早设计出的催化抗体是像酯水解反应一样具有较低活化能的酰基转移反应。

根据金属肽酶的研究成果并以磷酸酯作为碳酸酯的过渡态类似物，Lerner小组合成了一个含有吡啶甲酸的磷酸酯化合物作为半抗原，得到单克隆抗体6D4以催化不含吡啶甲酸的相应的碳酸酯的水解反应，使得反应速率加快近1000倍。

1990年，Shultz小组利用与底物扭曲构象相似的扭曲卟啉作为半抗原，制备出可催化卟啉金属螯合反应的抗体。

此工作不仅说明抗体结合能可扭曲底物结构，而且表明可用抗体检验催化作用机制。

由于N－甲基原卟啉因内部甲基取代而呈现扭曲结构，故它是亚铁螯合酶（可催化亚铁离子插入原卟啉的生物合成的酶）的有力抑制剂，也与酶催化的卟啉金属螯合反映的过渡态类似。

由于甲基卟啉的抗体可催化平面结构原卟啉的金属螯合，这就为该反应过渡态扭曲结构的作用提供了证据。

3.2.2抗体作为熵阱这种方法是利用抗体结合能克服反应熵垒。

抗体结合能被用来冻结转动和翻动自由度，这种自由度的限制是形成活化复合物所必须的。

Jackson等合成一个有椅式构象的氧杂双环化合物来模拟有分枝酸生成予苯酸这样一个Claisen重排反应的过渡态结构用此双环半抗原诱导的抗体可使重排反应加速10000倍。

此反应加深了人们对酶作用机理种熵阱模型的理解，因为反应中不形成离子或游离基中间体，也不需要酸、碱等催化基团催化。

3.2.3抗体静电互补效应抗体与其配体的相互作用是相当精确的。

已经发现带正电的配体常能诱导出结合部位带负电残基的配体，而带负电的配体也能诱导出结合部位带正电残基的配体。

抗体之所以具有高亲和力及选择性识别能力，是因为抗体与半抗原之间的电荷互补起着关键作用。

Shokat等利用抗体于半抗原之间的电荷互补性，制备了针对带正半抗原的抗体，使得在抗体部位上产生带负电的羧基，可作为一般碱基催化β－消除反应。

他们采用合成的季铵化合物H1作半抗原，获得的6株抗体，其中有4株具有催化活性，其中一个抗体43D4-3D3可加速反应100000倍。

3.3制备抗体酶的常用方法目前，制备抗体酶较常用的经典方法就是单克隆抗体技术。

此方法可大致概括为以下过程：（注）此半抗原是与过渡态立体结构相似的模拟物。

这种方法重点在于用来作半抗原的模拟物要满足制备需要而且要稳定，只有这样才能产生与过渡态高度亲和的抗体酶。

Tsumuraga等用多种半抗原分次免疫，获得的抗体酶亲和力和催化活性均有所提高。

3.4制备抗体酶的其他方法最近发展了几种新的抗体酶制备方法：蛋白质工程技术：通过该技术使抗体的氨基酸残基产生定向改变，既可以直接产生酶活性，也可以对初步具有酶活性的抗体进行进一步改造，构建高活性抗体。

化学诱变法：将合成的或天然的具有催化活性的基团通过化学修饰法引入到抗体分子中。

此外，还有相似分子诱导法、共价抗原免疫法、抗体基团组合文库法、多底物类似物法、抗体结合部位修饰法等可制备抗体酶。

4.抗体酶的应用抗体酶的专一性和多样性使之具有很大的应用潜力，人体这一复杂的生物体，经过长时间的进化，这一灵敏的机器对任何分子几乎都可通过免疫系统产生抗体，也决定了相应的抗体酶的丰富性。

4.1抗体酶在基础研究的作用4.1.1抗体酶在有机合成上的应用有机反应由于其机理的复杂性，造成副反应多，产率不高，原子经济性不好，抗体酶的应用可以大大改观这一现象，由于其可以选择性的催化平行反应中的某一反应，从而大大增加产率。

不对称合成是现代化学和药学的一个重要研究项目，手性合成催化生成某一特定的旋光异构体，与传统方法相比省去了手性化化合物的拆分，减少副产物的生成，更符合绿色化学的要求。

抗体酶同时可使苛刻条件下的化学反应在温和条件下进行。

Diels-Alders反应没有天然酶来催化,人工设计的抗体酶解决了这个问题。

Janda等描述了抗体酶在化学合成中的新应用环氧化物1可以自动环化四氢呋喃产物2，反应速度不利生成四氢呋喃产物3。

利用抗体酶技术设计生成半抗原4模拟环氧化物1的不利的6-内-四面体型闭环反应，从而通过稳定这一过渡态，使反应的不利产物3的比例升高。

催化抗体的不同类型的反应越来越多，抗体酶溶于反向胶束，其固定化形式在有机溶剂中起作用，从而为其商业用途开辟了广阔的前景。

4.1.2抗体酶阐明化学反应机制Pauling于1946年提出：酶催化化学反映的原理在与酶与高能的过渡态结合，从而大大的降低反应的活化能。

酶抑制剂的研究支持了Pauling过渡态理论，但它只能提供作用过程中结合专一性的信息，不能给出结合后发生催化反应以及结合与催化之间的关系。

抗体酶实验则弥补了这一缺陷。

利用过渡态模拟物法得到的抗体酶具有相当的反应活性和较好的催化效果也是对Pauling理论的最直接、最有力的证实。

N-甲基原卟啉由于内部甲基的取代而成扭曲的结构，但其作为半抗原诱导产生的抗体酶可催化原卟啉的金属螯合反应，也就证明了亚铁螯和酶催化亚铁离子插入原卟啉的反应过渡态是原卟啉的扭曲结构及平面的卟啉只有经过扭曲以后才能螯合亚铁离子。

4.2抗体酶在临床医学上的应用抗体酶的高度专一性可由于药物对靶细胞的定位，临床应用时可减少药物对正常细胞的损害，达到更好的疗效。

目前正在发展一种称为抗体介导前药治疗（ADEPT）技术，即将能水解前药释放出肿瘤细胞毒剂的酶和肿瘤专一性抗体相偶联，这样酶就会通过和肿瘤结合的抗体而存在于细胞的表面。

静脉给药后，当药物扩散至肿瘤细胞的表面或附近，抗体酶就会将前药迅速水解释放出抗肿瘤药物，从而提高肿瘤细胞局部药物浓度，增强对肿瘤的杀伤力，达到提高肿瘤化疗效果的目的。

当然交药只能被抗体酶水解而不能被内源性酶水解，抗原还要尽量减少免疫原性 。

Campbell用半抗原3诱导产生的抗体酶能水解5FdU的前体化合物1时至转变为2，抗癌药5FdU在体内可转变为5FdUMP,它是胸苷酸合成酶的抑制剂，能抑制DNA的合成，而5FdU不但抑制肿瘤细胞的DNA的合成，同时影响正常细胞，高毒性。

5FdU 的前体化合物1无毒，给药后化合物遇到抗体酶才释放出有毒的5FdU,杀死癌细胞。

设想用此抗体酶与肿瘤专一性抗体偶连成双特异性抗体，从而开发成特异性抗癌药物，避免了化疗缺乏专一性而产生的高毒性、半寿期短以及达肿瘤细胞的化疗药物低等缺点。

抗体酶可应用于定量分析。

酶联免疫吸附分析（enzyme-linked immunosorbent assay ELISA）是将酶作为标记物质，使之和抗原（或抗体）结合形成酶与抗原（或抗体）复合物，然后再根据待测抗体（或抗原）与复合物专一且定量的结合关系，通过测定待测抗体（或抗原）结合的标记酶活力，从而计算出抗原或抗体的量。

5.现阶段存在的问题及解决策略现阶段制备抗体酶主要存在两个问题：第一，抗体酶的催化能力不强。