En grupp forskare har utvecklat ett tillvägagångssätt för att effektivt producera antikroppar som kan binda till två olika målmolekyler samtidigt, en länge efterlängtad innovation inom området cancerimmunterapi. Detaljerna kommer att publiceras i numret av 1 september Journal of Biological Chemistry .

Antikroppar är proteiner som produceras av immunsystemet som är specialiserade på att känna igen och binda till molekylära mål som är unika för bakterier, virus eller andra främmande celler. Eftersom antikroppar är stabila och långvariga i människokroppen och exakt kan känna igen specifika mål, de har utnyttjats för att utveckla nya behandlingar för sjukdomar. Till exempel, modifierade antikroppar kan användas för att binda till mål i cancerceller, rekrytera immunförsvaret för att attackera cancern eller förhindra cancercellerna från att föröka sig. På grund av deras precision och förmåga att stimulera kroppens immunsvar, antikroppsbaserade terapier har vanligtvis färre biverkningar än kemoterapi eller strålning.

Antikroppar är "Y"-formade, och binder vanligtvis ett mål, eller antigen, genom spetsen av varje arm av "Y." I naturligt producerade antikroppar, båda armarna av en enda antikropp är typiskt desamma och binder till samma mål. Ett sätt att öka mångsidigheten hos antikroppsterapier är att konstruera vad som kallas bispecifika antikroppar, där varje arm binder till en annan molekyl. Detta utökar utbudet av vad antikroppar kan användas till. Till exempel, en bispecifik antikropp kan rikta sig mot ett kluster av proteiner som består av flera proteintyper, eller det kan föra två olika molekyler eller celltyper samman.

Ett bispecifikt antikroppsliknande läkemedel - leukemiläkemedlet blinatumomab - finns för närvarande på marknaden. Men utvecklingen av fler terapier baserade på bispecifika antikroppar har hämmats av tekniska utmaningar. Till exempel, vissa bispecifika antikroppar avviker från standard Y-form och tenderar att vara mindre stabila än konventionella antikroppar, faller lätt isär. Ytterligare, vissa bispecifika antikroppsformat har tenderat att vara svåra att producera i industriell skala eftersom de kan kräva specialiserade ingenjörsprocesser.

I experiment publicerade i JBC, ett team övervakat av John de Kruif, teknisk chef för forskningsföretaget Merus N.V. i kliniskt skede, konstruerade förbättrade bispecifika antikroppar genom att göra några viktiga förändringar i strukturen av naturliga humana immunglobulin G (IgG) antikroppar, och visade att de lätt kunde tillverkas. IgG är en väl studerad antikropp och är den vanligaste som produceras i människokroppen.

"Vi har gjort, i en komplett IgG-molekyl, endast fyra förändringar för att gå från en normal monospecifik antikropp till bispecifik antikropp, " sa de Kruif. "Det fantastiska är att det ser så mycket ut som en normal antikropp att vi kan producera det bra och vi tror att vi vet hur det kommer att bete sig."

De fyra mutationerna fanns i "tung kedja"-proteinkomponenterna i antikropparna. Vanligtvis, två identiska tunga kedjor parar ihop sig i varje antikropp. Utmaningen med att skapa bispecifika antikroppar var att få icke-identiska tunga kedjor att paras – skapa "armar" som kan binda olika antigener – samtidigt som man motverkar parning av identiska.

Teamets idé var att introducera aminosyror med motsatt laddning till de två olika tunga kedjorna, så att identiska tunga kedjor skulle stöta bort varandra medan de positivt och negativt laddade tunga kedjorna skulle attrahera. För att identifiera de rätta platserna för att införa dessa avgifter, de använde beräkningssimuleringar med virtuell screeningprogramvara följt av validering i labbet.

"Att använda den virtuella screeningprogramvaran gav en baslinje, sa Linda Kaldenberg-Hendriks från Merus, som ledde testningen av antikropparna. "Vi identifierade potentiella bra kandidater för designval i de tunga kedjeuppsättningarna, genererade sedan proteinerna och karakteriserade dem noggrant. När vi såg att de betedde sig som vi ville att de skulle, det var verkligen tillfredsställande."

Teamet undersökte också den molekylära strukturen hos de bispecifika antikropparna, och bekräftade att mutationerna endast resulterade i mycket subtila förändringar i "ryggraden" i de tunga kedjorna, vilket kan förklara stabiliteten hos dessa bispecifika antikroppar.

"En stark poäng [med denna studie] var att kombinera olika tillvägagångssätt, beräkningsverktygen med biokemi och strukturbiologi, " sa Camilla De Nardis från Merus och Utrecht University, som var medförfattare i studien.

Proteinerna som fungerade parades ihop för att bilda bispecifika antikroppar, med mycket få eller inga monospecifika antikroppar i blandningen. Teamet utsatte dem sedan för ett antal tester, bekräftar att de var lika stabila som normala IgG-antikroppar och hade liknande farmakokinetiska egenskaper.

Eftersom produktion och rening av IgG-antikroppar är en väletablerad industriell process, teamet kunde helt enkelt förse tillverkarna med proteinsekvenserna modifierade med nyckeländringarna som gjorde att proteinerna kunde bilda bispecifika ämnen. "Vi tror att vi kan göra praktiskt taget vilken bispecifik antikropp vi vill ha, sa Kaldenberg-Hendriks.

Teamets bispecifika antikroppar riktade mot cancercellstillväxtfaktorkomplex är nu i kliniska prövningar, med fler fortfarande i preklinisk pipeline. Teamet är entusiastiskt över potentialen för det mångsidiga formatet att anpassas till olika typer av terapier.

"Antikroppar kan vara så specifika, och du kan justera och ställa in dem, " sa Kaldenberg-Hendriks. "Med bispecifika antikroppar, vi tror att vi kan välja affiniteter för båda armarna och balansera dem så att du mer specifikt kan rikta in dig på tumörer, och även rekrytera andra celler eller molekyler för att attackera tumörcellerna utan många biverkningar. Vi tror verkligen att det är vägen framåt."