Konkurują z terapią genową w walce z nowotworami, chorobami genetycznymi i infekcyjnymi. Wymyślone przez naturę, ale ulepszone przez naukowców. Przeciwciała są jak ludzie – jak mówi doktor Peter Kwong z Vaccine Research Center, biolog strukturalny i współautor pracy na temat VRC01 – każde na swój sposób niepowtarzalne. Na początku lipca 2010 roku na łamach magazynu Science ukazał się artykuł obwieszczający odkrycie przeciwciała mającego zdolność do neutralizowania 90% szczepów HIV-1 rozpowszechnionych na całym świecie. Doniesienie to rozbudziło nowe nadzieje na opracowanie skutecznej szczepionki przeciwko wirusowi. Podobny entuzjazm udziela się także innym zespołom badaczy, wówczas gdy wydaje się, że możliwości tych naturalnie występujących makromolekuł są ograniczone tylko naszą wyobraźnią.
Przeciwciała znalazły się w centrum zainteresowania wielu terapii – szacuje się, że obecnie stanowią ok. 30% biofarmaceutyków. Medycyna ma co do rekombinowanych przeciwciał wielkie oczekiwania nie tylko w związku z leczeniem chorób infekcyjnych i genetycznych, ale także – i chyba przede wszystkim – terapią przeciwnowotworową. Większość przeciwciał, które mogłyby być wykorzystane jako leki cechuje niestety wiele właściwości wpływających znacząco na obniżenie ich efektywności. Celem inżynierii przeciwciał jest osiągnięcie jak najlepszej farmakokinetyki (czyli kinetyki procesów adsorpcji, dystrybucji, metabolizmu i wydalania leku, co przekłada się na jego działanie) in vivo, uzyskanie szerokiego spektrum cząsteczek oraz identyfikacja tych najbardziej przydatnych w terapii. Naukowcy koncentrują się na zwiększaniu powinowactwa otrzymanych przeciwciał, ich stabilności i ewentualnie poziomu ekspresji. Wiele przeciwciał posiada skomplikowaną budowę, którą trudno odtworzyć. Niemniejszym wyzwaniem jest projektowanie przeciwciał w ten sposób, by niosły elementy niebiałkowe, tj. leki, polimery i cytotoksyki. Tu z pomocą przychodzą inne dziedziny: chemia kombinatoryjna (czy chemia biokoniugatów) i inżynieria białek.
Początki inżynierii przeciwciał sięgają połowy lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku, kiedy otrzymano przeciwciała monoklonalne z mysio-ludzkich hybryd komórkowych „zdrowego”limfocytu B i limfocytu B występującego w szpiczaku mnogim. Uzyskiwane przeciwciała były białkami mysimi, nieużytecznymi w terapii, ponieważ w organizmie człowieka wywoływały odpowiedź immunologiczną. Zaczęto więc pracować nad chimeryzacją immunoglobulin, łącząc mysie regiony zmienne – odpowiadające za specyficzność z ludzkimi regionami stałymi. Próbowano również deimmunizować przeciwciała mysie, czyli pozbawiać je epitopów – miejsc antygenu rozpoznawanych przez przeciwciało (w tym przypadku obce przeciwciało stanowiło antygen), ale lepsze efekty dawała mimo wszystko humanizacja przeciwciał, która stwarzała dodatkowe możliwości w kierunku zwiększenia efektywności wiązania. Dziś możemy uzyskać w pełni ludzkie immunoglobuliny z różnych syntetycznych lub naturalnych źródeł, włączając w to ludzkie kultury tkankowe, biblioteki fagowe i transgeniczne organizmy.
Istotną rolę w działaniu przeciwciała odgrywa elastyczność pomiędzy miejscami wiązania antygenu. Większość niemodyfikowanych przeciwciał nie jest w stanie efektywnie wiązać znajdujących się w swoim pobliżu docelowych białek receptorowych obecnych na powierzchni komórki, co jest niezbędne do pobudzenia wewnątrzkomórkowej sygnalizacji i szlaku apoptotycznego, czyli śmierci komórki. Rozwiązaniem miały być inne immunoglobuliny z większym potencjałem wiązania. Jednak ciągle są to duże cząsteczki, które mają problemy z penetracją tkanek, dlatego ze względu na farmakokinetykę, większą uwagę skupiono na modyfikacji rozmiarów przeciwciał, tworząc przeciwciała będące właściwie minimalnymi jednostkami wiążącymi lub ich di-, tri- albo tetramerami. W celu zastosowania terapeutycznego wiąże się z nimi substancje, których różnorodność jest ogromna. Białka rekombinowane otrzymywane są przez wykorzystanie metod chemicznych, fuzji z unikalnymi peptydami lub poprzez manipulacje długością łączników wiążących domeny lekkie i ciężkie.
Efektywność działania przeciwciała in vivo zależy od jego zdolności do rozpoznawania antygenu związanego z celem już w bardzo niskich stężeniach. Immunoterapia lepiej sprawdza się w przypadku nowotworów rozproszonych niż litych ze względu na ich dostępność – większość zaaprobowanych do tej pory przez amerykańską organizację FDA (Urząd ds. Leków i Żywności) terapeutycznych przeciwciał to leki przeznaczone do leczenia białaczek, niewiele jest natomiast leków opracowanych z myślą o nowotworach litych, takich jak terapeutyk przeciwko rakowi piersi (Herceptyna) i jelita grubego (Erbitux).
Z uwagi na sposób działania przeciwciała – czyli powinowactwo do konkretnej cząsteczki, ważne jest także określenie pacjentów z nadekspresją genu danego białka, ponieważ tylko oni będą mogli z takiej terapii z powodzeniem skorzystać. W wielu przypadkach, np. diagnozowanie in vitro, neutralizacja wirusów, obrazowanie in vivo wymagane jest użycie przeciwciał o wyjątkowo wysokim powinowactwie. Można po wstępnej selekcji uzyskać je za pomocą mutagenezy miejscowo-specyficznej, mutagenezy kombinatoryjnej skupionej na regionach CDR (czyli regionach determinujących komplementarność), mutagenezy przypadkowej, czy rearanżacji łańcuchów. Do ścisłego wiązania niektórych antygenów niezbędna jest obecność w strukturze białka małej penetrującej pętli. Przeciwciała tego typu bardzo rzadko występują u ssaków. Tylko lamy i wielbłądy wytwarzają V-podobne domeny zaopatrzone w takie pętle. Podejmuje się próby konstruowania bibliotek z tymi przeciwciałami, gdyż upatruje się w tym potencjalną możliwość ulepszenia farmakokinetyki rekombinowanych przeciwciał terapeutycznych poprzez zwiększenie za pośrednictwem pętli dostępu do immunowyciszonych miejsc w enzymach, receptorach i wirusach.
Specyficzność przeciwciał
Działanie przeciwnowotworowe immunoglobulinowych terapeutyków opiera się na czterech podstawowych strategiach, mianowicie przez blokowanie niezbędnych czynników wzrostu i receptorów, bezpośrednią indukcję apoptozy, wiązanie do komórek docelowych i wywoływanie cytotoksycznego efektu lub dostarczanie substancji o aktywności cytotoksycznej. Idealnymi celem dla monoklonalnych przeciwciał są antygeny o wysokiej lub selektywnej, to znaczy ograniczonej wyłącznie do komórek nowotworowych, ekspresji, odpowiednio i stabilnie eksponowane na powierzchni komórki. Często są to białka zaangażowane w proces nowotworzenia.
Najpopularniejszym rozwiązaniem są przeciwciała skierowane przeciwko białkom obecnym na powierzchni komórek, wśród których znajdują się receptory np. kinazy tyrozynowej (działają w ten sposób trastuzumab i cetuximab), białka CD zlokalizowane na komórkach układu immunologicznego, np. CD20, CD22, CD52 (huN901-DM1 i bivatuzumab) oraz białka onkopłodowe występujące na powierzchni komórek embrionalnych, których ekspresja w „dorosłych” komórkach zostaje wyciszona i uaktywnia się ponownie w czasie kancerogenzy, np. Lewis X i Y, TAG-72, wczesny antygen grasiczny UN1 i onkopłodowa fibronektyna.
Inną możliwością jest celowanie w unaczynienie nowotworu, co ma kilka zalet w stosunku do użycia przeciwciał przeciwko komórkom guza. Przede wszystkim, umożliwia zastosowanie ich w różnych rodzajach nowotworów, zmniejsza poziom narażenia zdrowych tkanek i – co najważniejsze – odcinając nowotworowi drogi rozprzestrzeniania poprzez hamowanie angiogenezy i limfogenezy, inhibuje metastazę. W grupie tej znajdują się przeciwciała skierowane przeciwko czynnikom wzrostu VEGF, bFGF, EGFR i adhezynom.
Białka macierzy zewnątrzkomórkowej mają kluczowy wpływ na skład zmiany nowotworowej, jej integralność i skłonność do rozprzestrzeniania się, dlatego inhibitory metaloproteinaz i aktywatora plazminogenu, mimo że – jak na razie – dają rozczarowujące rezultaty, nadal stanowią atrakcyjny przedmiot badań.
Niebagatelną rolę w interakcji między nowotworem, a resztą organizmu odgrywają czynniki wzrostu, cytokiny i chemokiny, a wśród nich czynnik martwicy nowotworów TNFα, powodujący kacheksję – wyniszczenie organizmu wskutek długotrwałego i silnego stanu zapalnego. Rozpoznające ten czynnik przeciwciało chimeryczne infliximab (Remicade), zatwierdzone jest jako lek na m. in. chorobę Crohna, łuszczycę i schorzenia reumatoidalne.
Efektywność przeciwciał
Problemem obecnie opracowanych immunoglobulin jest niezadowalająca wydajność. Dla przykładu Rituximab – przeciwciało przeciwko chłoniakowi Hodkinga daje 6% całkowitej odpowiedzi i 46% częściowej, a wspominana już Herceptyna osiąga całkowitą skuteczność w granicach 15%, zaś po połączeniu z radio- i/lub chemioterapią, efektywność wzrasta do 50%. Niestety, nie wszystkie terapie – jak się okazuje – powinno się łączyć. Herceptyna stosowana jednocześnie z antracyklinami (grupa antybiotyków wykorzystywana jako leki przeciwnowotworowe, należy do niej m. in. doksorubicyna) wywołuje efekt kardiotoksyczny.
Głównym ceem zwiększania efektywności jest wzmacnianie funkcji efektorowej, tworzenie koniugatów oraz celowanie w nowotwór. Efektorowa funkcja jest modulowana cytotoksycznością zależącą od immunoglobuliny (ADCC) i cytotoksycznością zależną od układu dopełniacza (CDC). W przypadku ADCC niszczenie nowotworu jest wywoływane przez region Fc przeciwciała związanego z komórką nowotworową i receptorami Fcγ na komórkach efektorowych układu immunologicznego (neutrofile, makrofagi, NK). Modyfikacja polegająca na przykład na glikozylacji w regionie wiążącym się z receptorem może odgrywać kluczową rolę w uruchamianiu mechanizmów cytotoksyczności ADCC i CDC.
Wzmacnianie funkcji efektorowych osiąga się również przez wiązanie kowalencyjne z toksynami, enzymami, czy radioizotopami, a nawet z interferującym RNA, co zbliża je do terapii genowej. Do terapeutyków tego typu należy Gemtuzumab ozogamicyna stosowany w leczeniu ostrej białaczki szpikowej – humanizowana immunoglobulina przeciwko CD33 kowalencyjnie sprzęgnięta z antybiotykiem enedyinowym: kalicheamycyną, będącą źródłem wolnych rodników działających na szkielety cukrowe DNA. Projektowane są również przeciwciała połączone z mytansynoidami, cytokinami, bakteryjnymi toksynami i enzymami aktywującymi proleki. Przeciwciała te narzucają jednak pewne ograniczenia, muszą być bowiem specyficzne względem komórek nowotworowych, przy produkcji na dużą skalę wymagają wdrożenia dodatkowych procedur, ze względu na toksyczność dla zdrowych tkanek charakteryzują się krótkim czasem życia, co może dawać w rezultacie zmniejszoną dystrybucję do pożądanych miejsc.
Trzecią z możliwości jest ukierunkowanie terapeutyków bezpośrednio na komórki nowotworu. W tym celu tworzy się immunoliposomy i bispecyficzne przeciwciała. Fragmenty immunoglobulin Fc lub Fab są łączone z liposomem, zawierającym drobnocząsteczkowe leki przeciwnowotworowe, DNA lub białka. Przykładem takiego rozwiązania jest scFv anti-ERB2 – immunoliposom z doksorubicyną (antybiotykiem o działaniu cytostatycznym), wykazujący większą efektywność niż wolny lek lub sam liposom z lekiem. Ich zaletą jest mniejsza toksyczność ogólnosystemowa i zapobieganie niespecyficznemu pobieraniu chemioterapeutyków. Terapia bądź diagnostyka angażująca radioaktywnie znakowane immunoglobuliny wymaga wykorzystania izotopów o czasie półtrwania na tyle długim, by cząsteczka nie straciła aktywności, zanim dotrze w miejsce działania, a jednocześnie dość krótkim, by uniknąć niepotrzebnej ekspozycji tkanek na promieniowanie. Czas życia wyjątkowo „krótko żyjących” cząsteczek może być wydłużony przez pegylację – fuzję z PEG. Głównym problemem jest narażenie na promieniowanie nerek – z pomocą może przyjść rozwój nowych związków „chelatujących” w odpowiednim momencie radioaktywne przeciwciała albo modyfikacje ładunku powierzchniowego (zmiany pI, glikozylacja).
W sukurs inżynierii przeciwciał przychodzą inne prężnie rozwijające się gałęzie biologii molekularnej oraz coraz bardziej wyszukane techniki analizy genomu i proteomu. Mikromacierze dostarczają naukowcom informacji na temat antygenów charakterystycznych dla nowotworów. SAGE, RT-PCR, czy hybrydyzacja subtrakcyjna umożliwiają detekcję genów o zbyt wysokiej ekspresji, alternatywnych form splicingowych, mutacji lub transkryptów fuzyjnych. Badania proteomu prowadzą do wykrywania dysfunkcjonalnych białek o charakterze nowych celów lub biomarkerów. Wykorzystanie analizy bioinformatycznej, możliwości produkcji antygenów in vitro i przeszukiwania bibliotek fagowych zmierza nieuchronnie w kierunku wysokoprzepustowej produkcji przeciwciał.
Rekombinowane przeciwciała
Zmyślność rekombinowanych przeciwciał przyprawia o zawrót głowy, a rozszerzający się zakres ich potencjalnych zastosowań wzbudza powszechny optymizm. W gronie takich perełek znalazły się m. in. superprzeciwciała, intraciała i tzw. BiTEs.
Inspiracją naukowców do stworzenia superprzeciwciał były immunoglobuliny T15 z mysiego szpiczaka mnogiego, wykazujące właściwości autofilne, to znaczy mające powinowactwo do samych siebie. Odpowiadają za to fragmenty ze szczególnymi sekwencjami aminokwasowymi, które wykorzystano, łącząc metodami chemii powinowactwa-miejscowo-specyficznego z „użytkowymi” przeciwciałami. Uzyskano w ten sposób dimeryzowane superprzeciwciała o zwiększonej funkcji efektorowej, superprzeciwciała zdolne do penetracji żywych komórek i przeciwciała z wbudowanym adiuwantem, czyli substancją wzmagającą odpowiedź immunologiczną, stosowane jako szczepionki.
Geny kolejnej bardzo intrygującej grupy – intraciał są wprowadzane do organizmu w wektorach wirusowych o konkretnym tropizmie komórkowym lub w liposomach. Ich synteza (ang. intracellular antibodies, intrabodies) zachodzi wewnątrzkomórkowo, a dzięki sekwencjom sygnałowym białka są następnie kierowane do kompartmentów komórkowych o odpowiednim pH. Intraciała powodują fenotypowy knock-out określonej cząsteczki przez zahamowanie jej aktywności lub usuwanie z jej fizjologicznej lokalizacji, co stanowi kombinację specyficzności przeciwciała i strategii terapii genowej. Celami wewnątrzkomórkowych przeciwciał są podstawowe cząsteczki, jak wyżej wymieniane receptory, czy metaloproteinazy. Ich zadaniem jest również działanie na poziomie sygnalizacji wewnątrzkomórkowej, indukcji apoptozy i wiązania regulatorów cyklu komórkowego, białka p53, czynników transkrypcyjnych, wirusowych lub komórkowych produktów onkogenów albo strukturalnych składników chromatyny. W sytuacji nadekspresji zmutowanego genu białka Ras odpowiadającego w tym momencie za rozregulowanie wzrostu komórkowego i różnicowania, gdzie jego obecność w wewnętrznej warstwie błony komórkowej jest kluczowa dla funkcji, intraciała usuwają je z błony, tworząc cytoplazmatyczne agresomy.
Interesujące, że intraciała mogą być wykorzystywane także w terapiach chorób infekcyjnych i genetycznych. W przypadku chorób wirusowych, np. zakażenia HIV-1 mogą wiązać zarówno białka samego wirusa, hamując replikację, składanie lub integrację, jak i gospodarza, wywołując delecję funkcjonalną lub zmniejszenie ekspresji genów receptorów i obniżoną wrażliwość na infekcję lub inaktywując białko zaangażowane w transaktywację transkrypcji wirusa.
Do innych zastosowań intraciał należy hamowanie transportu cząsteczek MHC klasy I, co mogłoby zmniejszać prawdopodobieństwo odrzucenia przeszczepów allogenicznych. Obiecująca wydaje się również terapia choroby Huntingtona, w której intraciała skierowane przeciwko huntingtynie zapobiegają tworzeniu się agregatów tego białka, zabójczych dla neuronów prążkowia i kory mózgu.
Najciekawsze spośród rekombinowanych przeciwciał są BiTEs (ang. bispecific T-cell engager molecules), łączące minimalne domeny wiążące (fragmenty Fv) dwu różnych przeciwciał monoklonalnych w jednym łańcuchu polipeptydowym. Do niszczenia komórek nowotworowych angażują limfocyty T, stanowiące naturalny rezerwuar cytotoksycznych substancji (granzymów i preforyn). Dopiero po związaniu do komórki nowotworowej, BiTEs rekrutują limfocyty T, pobudzają je do podziałów i wytwarzania adhezyn, wydzielania cytokin i substancji o właściwościach cytolitycznych. W normalnych warunkach połączenia lityczne tworzą się między specyficznymi receptorami TCR limfocytów T cytotoksycznych a MHC-I z antygenem na komórkach nowotworu. Tu pierścień połączenia formuje się pomiędzy wytwarzanymi przez raka adhezynami ICAM-1, a LFA-1 na powierzchni „zwabionych” w pobliże komórek T. Tworzy się domena sygnalizacyjna pobudzająca limfocyty T i domena sekrecyjna uwalniająca substancje cytotoksyczne. Granzymy przedostające się do komórki przez pory utworzone przez perforyny aktywują enzymy należące do szlaku apoptotycznego – kaspazę 3 i 7.
Nie do końca wyjaśniono, które z nich i dlaczego nie wymagają pomocniczej aktywacji limfocytów T. Na dodatek pojedyncze łańcuchy białkowe mogą być stosunkowo niestabilne, mają relatywnie krótki czas trwania. Pojawia się również pytanie, czy w warunkach fizjologicznych w tkankach zmienionych nowotworowo znajduje się wystarczająco dużo limfocytów T, żeby BiTEs mogły działać wystarczająco skutecznie. Komórka nowotworu może też „wyłączyć” ekspresję transporterów MHC-I, a tym samym terapia straci sens. Poza tym, niestety, przeciwciała te wciąż stanowią potencjalne zagrożenie dla zdrowych tkanek.
Obiecujące odkrycie
Doniesienie amerykańskiego zespołu badaczy z Vaccine Research Center w Bethesdzie w stanie Maryland jest dosyć przełomowe, biorąc pod uwagę, że dotychczas otrzymywane przeciwciała były w stanie zneutralizować tylko niektóre szczepy HIV-1, co oznaczało, że są bardzo specyficzne, podczas gdy VRC01 ma zdolność do neutralizowania większości poznanych szczepów.
Przeciwciała neutralizujące mają nie tylko zdolność wiązania antygenu, ale także hamowania lub neutralizacji jego biologicznej funkcji. Przeciwciała o tak dużych możliwościach neutralizacji są niezwykle rzadkie, ale aby je uzyskać naukowcy Gary Nabel, Peter Kwong i ich współpracownicy wykorzystali białko otoczki wirusa wchodzące w interakcję z komórkami CD4+. Pozostałe regiony otoczki zostały zamaskowane przez zastąpienie ich białkami innych wirusów w celu zminimalizowania powstawania niepożądanych przeciwciał. Zespół miał do wykonania nie byle jakie zadanie, bo należało przeszukać pod kątem produkcji specyficznych immunoglobulin aż 25 milionów limfocytów B pochodzących od 15 pacjentów zarażonych wirusem. Spośród nich tylko 29 spełniało stawiane warunki. Z wszystkich przeciwciał produkowanych przez wybrane komórki wyodrębniono trzy neutralizujące. Analiza strukturalna jednego z nich wykazała, że niemal dokładnie naśladuje wiązanie wirusa do komórki CD4+, ale z delikatnym przesunięciem i obrotem, porównywanym przez Kwonga do różnicy między południem a trzynastą trzydzieści.
Stworzenie szczepionki, która umożliwiałaby produkcję w organizmie takich przeciwciał, jest niemałym wyzwaniem. Geny przeciwciał w limfocytach B przechodzą wiele rund mutacji i następującej po nich selekcji tak, aby jak najlepiej wiązać antygen. Proces ten nazywa się dojrzewaniem powinowactwa. Przeciwciało statystycznie przechodzi 10-15 mutacji, podczas gdy VRC01 aż 66. Na razie naukowcy nie do końca wiedzą, jak dokładnie ten proces przebieg. Nie wiadomo również, czy większość ludzi będzie produkować takie przeciwciała.
Pojawiają się głosy, że VRC01 może być wykorzystane jako alternatywa dla terapii anty-retrowirusowej. Nabel ma nadzieję, że w przyszłości dzięki kombinacji dwóch lub trzech immunoglobulin o szerokim neutralizującym spektrum działania będziemy mogli ominąć główny problem, jaki udaremnia próby uzyskania szczepionki przeciwko HIV-1, to jest dużą zmienność białek wirusa. Wielu komentatorów powołuje się na podobne odkrycia, których nie udało się wykorzystać w praktyce, ale – znając przeciwciała – niejednym mogą nas one jeszcze zaskoczyć.
Martyna Franczuk, studentka II roku MSU Międzyuczelnianego Wydziału Biotechnologii Uniwersytetu Gdańskiego i Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego
Literatura:
• P. J. Hudson, Ch. Souriau, Engineered antibodies [w:] Nature Medicine 1 (2003), s. 129-134.
• M. Trikha, L.Yan, M.T. Nakada, Monoclonal antibodies as therapeutics in oncology [w:] Current Opinion in Biotechnology 13 (2002), s.609-614.
• Y. Zhao, M. Russ, Ch. Morgan, S. Muller, H. Kohler, Therapeutic applications of superantibodies [w:] Drug Discovery Today 18 (2005), s. 1231-1236.
• R. E. Kontermann, Intabodies as therapeutic agents [w:] Methods 34 (2004), s. 163-170.
• E. Wolf, R. Hofmeister, P. Kufer, B. Schlereth, P.A. Baeuerle. BiTEs: bispecific antibody constructs with unique anti-tumor activity [w:] Drug Discovery Today 18 (2005), s. 1237-1244.
• D. Filpula, Antibody engeneering and modification technologies [w:] Biomolecular Engineering 24 (2007), s. 201-215.
• M.S. Hayden, L. K. Gilliland, J.A. Ledbetter, Antibody engineering [w:] Current Opinion in Immunology 9 (1997), s. 201-212.
• W. Dall’Acqua, Paul Carter, Antibody engineering [w:] Current Opinion in Structrlal Biology 8 (1998), s. 443-450.
• http://www.sciencedaily.com/releases/2010/07/100708141531.htm.