实测结果用于每轮抗体设计

治疗抗体开发需要同时考虑结合、表达和可开发性。基因泰克(Genentech)等团队提出“实验室在环”(Lab-in-the-loop,LitL)框架,由生成模型提出候选、预测模型估计性质,再挑选一部分进行体外测量,把结果用于下一轮训练与设计。

这项工作首次于 2025 年 2 月 24 日在 bioRxiv 发布;此处依据 11 月 8 日的第 3 版预印本,尚未经同行评议。研究包含 4 轮、1,800 余项抗体设计,针对表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,EGFR)、白细胞介素 6(interleukin-6,IL-6)、人表皮生长因子受体 2(human epidermal growth factor receptor 2,HER2)和抑瘤素 M(oncostatin M,OSM)。

11 种起始抗体中,10 种来自动物免疫及抗体库挖掘,另一种为曲妥珠单抗。后续计算与体外优化是本篇非动物方法的部分,整个发现过程仍包含动物来源的起点。

模型选择兼顾结合与表达,实验决定反馈数据

框架集合多种生成方法,让它们探索不同候选空间;候选再经过异常设计与可开发性风险过滤。预测模型分别估计结合、表达和非特异性风险,排序时寻找在多个性质上仍有改进机会的设计。

排序还排除已被已有设计全面超过的候选:如果另一抗体在每个所测性质上都至少一样好,继续测试前者的价值便较小。团队用这样的多目标比较,在有限实验容量下同时保留性能改进和探索不同设计的机会。

每轮的性质模型会用前一轮留出数据比较,再决定下一轮采用哪种预测器。随着实测数据增加,生成与预测模型持续更新。这是一种主动学习设计:模型既需要提出可能更好的抗体,也要选择有助于改进下一轮模型的测量对象。

数据少的早期阶段,模型主要扩展种子附近的设计空间;后续再依据新测标签加强定向优化。整个过程从已有结合和可开发性基础的种子出发,所得改善也依赖这些起点与实验质量。

抗体结合由表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)测量,分析结合与解离过程,估算平衡解离常数。该数值更小表示结合更紧;它不同于细胞功能抑制所需浓度,也不同于体内暴露。

4 轮后,10 种种子找到至少 3 倍更紧的结合变体

实验环节同样构成约束。作者介绍的生产与测量流程,可在约 4–6 周时间内并行获得数百项高分辨率数据。候选选择因此也要考虑每轮可完成的测量量,以及下一轮模型需要补充哪些数据。

团队预先把相对种子至少 3 倍的结合改善作为主要成功门槛。第 1 轮达到门槛的设计约占 2%,涉及 3 种种子;第 4 轮这一比例超过 21%。按每种种子的最佳设计看,11 种中有 10 种达到 3 倍门槛,其中 5 种超过 10 倍。

图中预测与实测的相关性高于首轮,但第 3 轮高于第 4 轮,相关性未逐轮提高。不同种子的改善幅度也不同,仍有 1 种未达主要门槛。图中展示的是体外结合结果,药效、临床反应率及其他设计的表现仍需各自测量。

4 轮抗体设计的结合改善、预测与实测关系,以及 5 种种子的随机组合对照比较。

窄屏可横向滑动查看完整图表。

4 轮抗体设计的结合改善、预测与实测关系,以及 5 种种子的随机组合对照比较。(Nathan C. Frey et al. / bioRxiv, 2025, Figure 2;CC BY 4.0)

随机组合基线也得到强结合,比较不支持全面领先

研究为 5 种种子另建随机组合对照,利用首轮已知变异组合新设计,并尽量匹配机器学习组的测试量和变异负荷。这一对照利用了已有抗体筛选知识,构成较强的比较基线。

2 类设计的亲和力分布总体相近。5 种种子中,3 种的最高结合改善来自第 3 或第 4 轮模型设计,2 种来自随机对照。团队同时指出,对照没有按表达产量和可开发性约束优化,因此这个比较主要回答结合性能,未完整评价多性质优化的优劣。

可开发性结果中,实测、预测和筛选要分开

最佳结合设计用治疗抗体分析器(Therapeutic Antibody Profiler,TAP)检查表面性质。除 1 种设计略超正负电荷斑块范围外,其余处于相应指南范围。这个计算检查有助于筛掉明显风险,却不能保证体内安全性。

非特异结合风险也主要通过代理模型估计,所有设计的预测值低于所设风险阈值,不能改写为每条抗体均经实验证明没有非特异作用。表达产量与结合的实测则显示,后续轮次拓展了 2 项性质可同时改善的范围。

作者明确表示,进一步目标包括直接优化生物功能、提高每轮数据效率,并纳入更多性质约束。现有证据支持计算与体外反馈用于早期抗体优化;功能、药代、安全性和临床价值仍需各自验证。

来源与延伸阅读

  1. Lab-in-the-loop therapeutic antibody design with deep learning. bioRxiv. 2025. doi:10.1101/2025.02.19.639050 ↗