1993年，比利時布魯塞爾自由大學免疫學家Hamers-Casterman教授以及他的同事們在駱駝（駱駝科，后來研究證實也包括單峰駱駝和羊駝）的血清中發現了一種與傳統抗體結構不同的新型抗體，這種抗體僅僅由兩條重鏈構成，被稱為重鏈抗體(heavy-chain antibody, HCAb)。重鏈抗體的重鏈的可變區稱為VHH(variable domain of heavy chain of heavy-chain antibody)，通過體外重組表達制備的VHH分子質量僅僅為15kDa，是傳統抗體的十分之一左右，是抗原結合片段（scFV，VH-VL）的二分之一左右，因此被稱為納米抗體(nanobody, Nb)。
由于沒有輕鏈，納米抗體僅有3個屬于重鏈的抗原識別區域（CDRs 區）。為了彌補缺少的輕鏈CDRs的生物學活性，納米抗體在 CDR3部分增加了氨基酸長度（16~18個氨基酸殘基，對應的傳統抗體的CDR3有8-15個氨基酸），以增加CDR的多樣性和特異性。另外，納米抗體的 CDR3 區域可形成一個大的暴露的凸環，像“手指”一樣延伸到抗原的縫隙或者裂口中，可以接觸到傳統抗體不能接觸的抗原表位。CDR3凸環中的一個半胱氨酸還可以與CDR1 或FR2 的 45 位點的半胱氨酸形成二硫鍵，可使納米抗體的生物結構相對穩定，大大降低納米抗體與抗原結合所需能量，使得高親和力的納米抗體的獲得較容易。
傳統抗體（左）、重鏈抗體（中）和納米抗體（右）的結構
1、納米抗體理化特性較穩定
納米抗體的生物物理和生化特性特別穩定，包括溶解度、耐熱性和蛋白水解抗性等。其CDR3環的折疊和骨架-2區（FR2）域包含了許多親水性的氨基酸，使其在水溶液中溶解度高，且不易聚集。納米抗體也具有很好的構象和熱穩定性，在37°C條件下1周后仍保持充分的結合能力。除了耐熱性，納米抗體在蛋白酶、促溶劑和極端pH的條件下是穩定的。納米抗體的穩定性特點可以使其實現不同途徑的給藥，包括靜脈注射、口服和吸入制劑等，其中口服和吸入制劑是傳統抗體藥物很難實現的藥物劑型。如果將納米抗體用于臨床診斷，其在高有機溶劑濃度或pH或溫度極端值下的高穩定性為檢測小分子或蛋白質提供了極大的便利。
2、納米抗體的大規模生產較容易實現
傳統抗體由于氨基酸序列長、蛋白結構復雜，生產需要復雜的儀器，且只有在真核生物系統中才能實現。另外，在臨床抗體藥物的使用上，為了達到治療效果，通常給予大劑量藥物。這兩方面導致了傳統抗體在生產上需要使用大量的哺乳動物細胞和漫長的篩選純化步驟，生產成本非常昂貴。納米抗體可以在微生物系統（如細菌、酵母菌、真菌）中大量表達，并且可以通過展示文庫中快速篩選，使得納米抗體具備更低的生產成本優勢。
3、納米抗體免疫原性較低
納米抗體的結構和人源抗體重鏈可變區VH結構非常相似，包含三個高變區(hyper variableregion, HVR)和其兩側的四個骨架區(frameworkregion, FR)，且其基因同源性達90%。這意味著納米抗體的免疫原性比較低，到目前為止，還沒有任何關于納米抗體免疫原性造成的不良反應的報道。
氨基酸序列一級結構示意圖（上），菱形塊標記的位點為納米抗體的關鍵氨基酸，黃色粗線為二硫鍵。下圖分別為VH和納米抗體的蛋白折疊示意圖。
考慮到潛在的安全性風險，在制備成藥物時需要將納米抗體序列進行人源化處理，由于納米抗體的基因序列較短，通過直接定點突變就可以人源化，跟傳統抗體比人源化更容易實現。
4、納米抗體分子量小，組織滲透能力強，血液清除較快
藥物在組織內細胞間的被動擴散速率與藥物分子的大小呈反比，因此與傳統抗體（150kDa）相比，15 kDa大小的單價納米抗體的組織穿透性更好，可以到達傳統抗體到達不到的病灶組織，如實體瘤等不穩發揮作用；另外，納米抗體能夠有效的穿透血腦屏障，為腦部給藥提供了新方法。同時，由于分子量較小，納米抗體很容易被腎臟快速清除，半衰期較短，極大的避免了毒性作用，有利于其在臨床影像技術的應用。但是同時半衰期短限制了其作為治療藥物的使用，可以通過聚乙二醇化、與白蛋白結合或融合、與抗體的Fc融合的手段延長半衰期。由于納米抗體較小的尺寸以及特殊的CDR3結構，促進了其與傳統抗體所不能達到的新表位的相互作用，因此納米抗體具備結合和中和傳統抗體難以命中的靶點的能力。
由于納米抗體分子量小，單體之間黏連性弱，很容易通過基因工程手段將多個納米抗體單體串聯表達，實現多聚體。如果納米抗體被設計成臨床治療藥物，這一特性可以得到多價抗體和雙特異抗體，增強抗體跟抗原的結合能力。同時，利用這一特性，還可以通過多聚體或者耦聯一個抗血清蛋白的納米抗體來增加納米抗體的半衰期。
納米抗體的篩選和制備
納米抗體的篩選和制備
上：利用噬菌體展示技術進行納米抗體的前期篩選；下：從篩選到納米抗體的制備過程。
1、納米抗體基因文庫的構建
抗原特異的納米抗體可以通過免疫庫、天然庫或合成庫產生，其中免疫庫的構建常用的納米抗體開發技術。
用純化的靶抗原對羊駝進行免疫，免疫成功后在羊駝血液中提取包含成熟B細胞的淋巴細胞。抽提淋巴細胞的RNA并反轉成cDNA文庫，利用特殊設計的引物在cDNA文庫中再次進行PCR擴增，得到特異的基因片段；隨后將特異的基因片段拼接重組在噬菌體載體上，并轉染大腸桿菌，最終完成納米抗體基因文庫的構建。
