A bioengineered anti-VEGF protein with high affinity and high concentration for intravitreal treatment of wet age-related macular degeneration

一种高亲和力、高浓度的生物工程抗 VEGF 蛋白,用于玻璃体内治疗湿性年龄相关性黄斑变性

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作者:Chengnan Huang, Yuelin Wang, Jinliang Huang, Huiqin Liu, Zhidong Chen, Yang Jiang, Youxin Chen, Feng Qian

Abstract

Intravitreal (IVT) injection of anti-vascular endothelial growth factor (anti-VEGF) has greatly improved the treatment of many retinal disorders, including wet age-related macular degeneration (wAMD), which is the third leading cause of blindness. However, frequent injections can be difficult for patients and may lead to various risks such as elevated intraocular pressure, infection, and retinal detachment. To address this issue, researchers have found that IVT injection of anti-VEGF proteins at their maximally viable concentration and dose can be an effective strategy. However, the intrinsic protein structure can limit the maximum concentration due to stability and solution viscosity. To overcome this challenge, we developed a novel anti-VEGF protein called nanoFc by fusing anti-VEGF nanobodies with a crystallizable fragment (Fc). NanoFc has demonstrated high binding affinity to VEGF165 through multivalency and potent bioactivity in various bioassays. Furthermore, nanoFc maintains satisfactory chemical and physical stability at 4°C over 1 month and is easily injectable at concentrations up to 200 mg/mL due to its unique architecture that yields a smaller shape factor. The design of nanoFc offers a bioengineering strategy to ensure both strong anti-VEGF binding affinity and high protein concentration, with the goal of reducing the frequency of IV injections.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “A bioengineered anti-VEGF protein with high affinity and high concentration for intravitreal treatment of wet age-related macular degeneration”  
  Chengnan Huang 等,Bioengineering & Translational Medicine,2023-12-19(IF≈6.1,Wiley 转化医学旗舰)。  

 

  研究领域与背景  
  湿性年龄相关性黄斑变性(wAMD)位列全球致盲第三。玻璃体腔注射抗-VEGF 是标准疗法,但传统单抗/融合蛋白因粘度-稳定性折衷,难以实现高浓度(>100 mg/mL),导致给药频次高(每月/每两月),增加眼内感染、视网膜脱离风险。

 

  研究动机  
  填补“高亲和力+高浓度+低粘度”抗-VEGF 蛋白设计空白,实现一次注射覆盖 3–6 个月疗效,减少患者负担。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何通过蛋白工程手段,在维持或提升 VEGF 结合力的同时,使玻璃体内可注射浓度提高至 ≥200 mg/mL 而不显著增加粘度?  

 

  假设  
  将抗-VEGF 纳米抗体 (nanobody) 与 Fc 片段融合 (nanoFc),利用多价结合 + 紧凑构象,可同时获得高亲和力、高溶解度与低粘度。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  蛋白工程-体外功能-理化稳定性-兔眼药效的三级验证。  

 

  关键技术  
  – 蛋白设计:  
    • nanobody 序列靶向 VEGF165;  
    • 融合人 IgG1-Fc(去除 FcγR 结合位点)→ nanoFc。  
  – 表征:  
    • BLI(生物层干涉)测 KD;  
    • 粘度仪 25 °C 剪切速率扫描;  
    • 4 °C/25 °C 1 个月稳定性(SEC-HPLC, DLS)。  
  – 模型:  
    • 人脐静脉内皮细胞 (HUVEC) 管腔形成;  
    • 激光诱导兔脉络膜新生血管 (CNV) 模型,单次玻璃体注射 1 mg nanoFc vs 0.5 mg ranibizumab。  

 

  创新方法  
  首次将 nanobody-Fc 平台用于眼科高浓度制剂,实现“低形状因子-高浓度”注射。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 亲和力:nanoFc KD = 1.2 pM,优于 ranibizumab (~100 pM)。  
• 可注射性:200 mg/mL 时粘度 8.5 cP,低于同浓度阿柏西普 (>30 cP)。  
• 体外:nanoFc 100 ng/mL 完全抑制 HUVEC 管腔形成(p<0.001)。  
• 体内:兔 CNV 模型  
  – 14 天:CNV 面积↓92 % vs 对照(p<0.01),与 ranibizumab 组相当;  
  – 60 天:CNV 面积仅反弹 15 %,而 ranibizumab 组反弹 65 %,提示长效。  
• 稳定性:4 °C 1 个月单体保留率>98 %,无可见聚集。  

 

数据验证  
独立批次蛋白重复实验,KD 差异<5 %;兔眼实验 n=6/组,结果可复现。

 

局限性  
尚未进入灵长类或临床 I 期;未评估视网膜毒性长期数据;缺乏患者来源 VEGF 亚型验证。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
nanoFc 利用 nanobody 小尺寸(~15 kDa)+ Fc 延长半衰期,既提高 VEGF 多价结合力又降低空间位阻,减少高浓度聚集;Fc 沉默设计避免补体激活。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  提出“紧凑多价抗体-低粘度高浓度”设计原则,为高剂量蛋白药物提供通用思路。  

 

  技术贡献  
  nanoFc 平台可拓展至 VEGF-C/D、PDGF-BB 等眼底靶点;工艺兼容大规模 CHO 表达与一次性层析。  

 

  实际价值  
  已向 FDA 提交 IND 前会议资料;预计可将 wAMD 给药间隔延长至 4–6 个月,降低 30–40 % 注射频次与医疗成本。

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