Arrow
Arrow
Slider

Przeciwciała monoklonalne i ich zastosowanie w immunoterapii

Terapia za pomocą przeciwciał monoklonalnych (https://www.youtube.com/watch?v=Na-Zc-xWCLE) jest obecnie najpopularniejszą metodą immunoterapii (https://www.youtube.com/watch?v=K09xzIQ8zsg), stosowaną zarówno w leczeniu rozrostów nowotworowych, jak i innych chorób. Przeciwciała monoklonalne (https://www.youtube.com/watch?v=0A99pk6kpS4) to przeciwciała wywodzące się z tego samego klonu limfocytów i rozpoznające z określoną specyficznością ten sam fragment antygenu zwany epitopem. Dzięki klasycznej metodzie produkcji przeciwciał monoklonalnych (https://www.youtube.com/watch?v=O-SrPqJuEVg) opracowanej w 1975 r. przez laureatów nagrody Nobla - Milsteina i Köhlera (http://www.whatisbiotechnology.org/index.php/exhibitions/milstein), a następnie ulepszonej dzięki postępom inżynierii genetycznej, możliwa jest produkcja na dużą skalę przeciwciał monoklonalnych rozpoznających dowolny antygen. Tak zaprojektowane przeciwciała monoklonalne mogą wykrywać białka stanowiące cel terapeutyczny w leczeniu różnych chorób człowieka.

Typy przeciwciał monoklonalnych

Stosowane w terapii przeciwciała monoklonalne należą do klasy IgG (https://www.youtube.com/watch?v=PyNt2MNfPrk). Pierwsze wprowadzone do terapii przeciwciała monoklonalne były białkami pochodzenia mysiego. Z tego względu po podaniu ich do organizmu ludzkiego obserwowano silną odpowiedź układu odpornościowego przeciwko obcemu gatunkowo białku. Obecnie dzięki inżynierii gene¬tycznej możliwe jest konstruowanie przeciwciał chimerycznych, których część zmienna V jest pochodzenia mysiego, a część stała C – ludzkiego, przeciwciał humanizowanych, gdzie jedynie części hiperzmienne pochodzą od myszy oraz przeciwciał całkowicie ludzkich (Ryc.1). Cząsteczka przeciwciała zbudowana jest z fragmentu wiążącego antygen Fab oraz fragmentu Fc, z którego obecnością związana jest aktywacja układu odpornościowego po związaniu się przeciwciała z antygenem.

RYCINA 1

Ryc. 1. Różne rodzaje przeciwciał monoklonalnych kodowanych przez geny myszy i człowieka.

Jakie mechanizmy uruchamia związanie się przeciwciała monoklonalnego z antygenem?

Przeciwciała monoklonalne w zależności od swojej budowy, ale także rozpoznawanego antygenu, charakteryzują się różnymi mechanizmami działania. Jak już wspomniano, obecność fragmentu Fc niezbędna jest do aktywacji mechanizmów układu odpornościowego. Natomiast obecność fragmentu Fab odpowiedzialna jest za bezpośrednie wiązanie przeciwciał monoklonalnych z antygenem. Związanie przeciwciała z antygenem może prowadzić do blokowania jego funkcji i zahamowania związanego z nim szlaku przekazywania sygnału do wnętrza komórki. Przykładem takiego mechanizmu działania jest trastuzumab - stosowane w raku piersi przeciwciało monoklonalne wiążące antygen Her2/neu (https://www.youtube.com/watch?v=6KiLt2yt5xI), który aktywuje sygnały odpowiedzialne za przeżycie komórek nowotworowych. Związanie się trastuzumabu z Her2/neu blokuje szlak przekazywania sygnału i spowalnia proliferację komórek nowotworowych. Ponadto związanie przeciwciała z Her2/neu znakuje komórki nowotworowe, które następnie niszczone są przez komórki układu immunologicznego  (http://www.breastcancer.org/treatment/targeted_therapies/herceptin/how_works).

Związanie się przeciwciała do antygenu, dzięki obecności wolnego końca Fc, prowadzi do uruchomienia następujących mechanizmów związanych z aktywacją układu odpornościowego (Ryc.2): 

  • cytotoksyczności zależnej od układu dopełniacza (CDC, ang. complement-dependent cytotoxicity),
  • cytotoksyczności komórkowej zależnej od przeciwciał (ADCC, ang. antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity) oraz
  • immunofagocytozy.

RYCINA2

Ryc.2 Mechanizmy aktywacji układu odpornościowego przez przeciwciała monoklonalne.

Przykładem przeciwciała aktywującego te mechanizmy jest rytuksymab – stosowane w hematoonkologii w terapii nowotworów wywodzących się z limfocytów B przeciwciało wiążące antygen CD20. Cytotoksyczność zależna od układu dopełniacza (CDC, ang. complement-dependent cytotoxicity) do zabicia komórek nowotworowych angażuje układ dopełniacza. Fragmenty Fc przeciwciała wiążą składowe C1q dopełniacza, co uruchamia kaskadę reakcji prowadzących do powstania tzw. kompleksu atakującego błonę C5b-9 (MAC, ang. membrane attack complex). MAC tworzy w błonie kanały, przez które z komórki wydostają się jony potasu, ATP i aminokwasy, a wnikają woda, jony sodu, lizozym i enzymy proteolityczne, co w efekcie prowadzi do lizy komórki. Ponadto niektóre składniki kaskady dopełniacza - C3a, C4a i C5a mają działanie chemotaktyczne w stosunku do leukocytów, a inne - C1q, C3b, iC3b oraz iC4b są opsoninami i opłaszczając komórkę umożliwiają jej efektywną fagocytozę przez neutrofile i makrofagi.

Fragment Fc przeciwciała jest także ligandem dla receptorów FcR, które występują na powierzchni komórek NK, monocytów, makrofagów, neutrofilów, eozynofilów oraz komórek dendrytycznych. Głównymi komórkami efektorowymi w mechanizmie cytotoksyczności komórkowej zależnej od przeciwciał (ADCC, ang. antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity) są komórki NK, które rozpoznają opłaszczone przeciwciałem komórki nowotworowe za pomocą receptora FcγRIII (CD16). Po związaniu fragmentu Fc przeciwciała z CD16, komórki NK uwalniają cytotoksyczne ziarnistości zawierające perforynę i granzymy, co prowadzi do lizy komórki nowotworowej. Komórki NK zabijają też komórki docelowe poprzez interakcje z udziałem cząsteczek z rodziny Fas i TRAIL, a także przyciągają i aktywują inne komórki układu odpornościowego poprzez wydzielanie cytokin i chemokin.

Innym mechanizmem zabijania komórek nowotworowych przez komórki układu odpornościowego, aktywowanym przez fragmenty Fc przeciwciał, jest immunofagocytoza. W tym procesie przeciwciała odgrywają rolę opsonin, czyli cząsteczek ułatwiających fagocytozę komórek nowotworowych przez komórki efektorowe (neutrofile, monocyty/makrofagi oraz niedojrzałe komórki dendrytyczne). Po związaniu końca Fc przeciwciała w komórce efektorowej (fagocycie) dochodzi do reorganizacji cytoszkieletu, a następnie pochłonięcia komórki docelowej i jej degradacji. Pochłonięte w ten sposób antygeny komórki nowotworowej są prezentowane przez cząsteczki głównego układu zgodności tkankowej (MHC, ang. major histocompatibility complex), co prowadzi do indukcji swoistej odpowiedzi limfocytów T.

Modyfikacje przeciwciał monoklonalnych

Przeciwciała monoklonalne są stosowane powszechnie w badaniach naukowych, w testach diagnostycznych oraz w terapii chorób człowieka. Niewątpliwą zaletą przeciwciał monoklonalnych jest ich swoistość wobec antygenu. Z kolei jedną z największych wad przeciwciał, głównie w odniesieniu do zastosowania w terapii guzów litych, jest ich wielkość, która ogranicza przenikanie w głąb tkanek.

Z tego względu, jednym z celów modyfikacji struktury stosowanych przeciwciał jest dążenie do zmniejszenia ich masy cząsteczkowej poprzez tworzenie mniejszych cząsteczek zachowujących swoistość wobec antygenów (Ryc. 3).

rycina3a

Ryc. 3 Niektóre pochodne przeciwciał monoklonalnych (na podstawie podręcznika „Immunologia”, Gołąb, Jakóbisiak, Lasek, wydanie 7).

W celu zwiększenia efektywności, terapeutyczne przeciwciała monoklonalne można także modyfikować poprzez tworzenie koniugatów zawierających:

  • radioizotopy

Koniugaty tego rodzaju znalazły zastosowanie przede wszystkim w onkologii: do celów diagnostycznych używa się koniugatów z radioizotopami emitującymi promieniowanie γ, a w terapii nowotworów koniu¬gatów z radioizotopami emitującymi głównie czą¬steczki β. Przykładem koniugatu przeciwciała z radioizotopem jest rozpoznający CD20 ibrytumo¬mab tiuksetan skoniugowany z itrem 90, który stosowany jest w terapii chłoniaków wywodzących się z limfocytów B

  • leki

Dynamicznie rozwijającym się trendem immunoterapii są przeciwciała monoklonalne skoniugowane z lekami. Związki te wykorzystują zjawisko internalizacji przeciwciała po związaniu się z antygenem w celu dostarczenia leku do wnętrza komórki nowotworowej. Jak dotąd zarejestrowano następujące skoniugowane przeciwciała monoklonalne: brentuksymab wedotyna (przeciwciało anty-CD30 skoniugowane z lekiem przeciwnowotworowym auristainą) w chłoniaku Hodgkina, trastuzumab emtansine (przeciwciało anty-Her2/neu skoniugowane z emtanzyną) w raku sutka, a także inotuzumab ozogamycyna (przeciwciało anty-CD22 skoniugowane z przeciwnowotworowym antybiotykiem ozogamycyną) w ostrej białaczce limfoblastycznej.

  • cytokiny

Jak dotąd nie ma zarejestrowanych w terapii połączeń przeciwciał monoklonalnych z cytokinami (tzw. immunocytokin), a najbardziej zaawansowane badania kliniczne dotyczą immunocytokin zawierających IL-2, IL-12 i TNF-α. Skoniugowane z przeciwciałami cytokiny mają na celu aktywację komórek efektorowych, stymulowanie ich proliferacji oraz indukcję odpowiedzi immunologicznej.

  • enzymy

Obiecującą strategią terapeutyczną jest sprzęganie przeciwnowotworowych przeciwciał monoklonalnych z enzymami mający¬mi właściwość aktywowania nieczynnego proleku w aktywny lek o działaniu przeciwnowotworowym (ADEPT –ang. antibody-directed enzyme prodrug thera¬py). Strategia ta zmniejsza toksyczność leku, gdyż w dużym stężeniu gromadzi się on tylko wokół komórek nowotworowych.

Kolejną strategią modyfikacji przeciwciał monoklonalnych jest zmiana ich glikozylacji (https://www.youtube.com/watch?v=E0WlC7vCjso), czyli składu reszt cukrowych związanych z fragmentem Fc. Przykładem zastosowania takiej modyfikacji jest obinutuzumab – humanizowane przeciwciało monoklonalne anty-CD20 pozbawione reszt fukozy. Wiadomo, że eliminacja fukozy zwiększa powinowactwo końca Fc do receptora FcγRIII na powierzchni komórek NK, makrofagów i neutrofilów, co wspomaga eliminację komórek nowotworowych w procesie ADCC i immunofagocytozy. Obinutuzumab wiąże się do receptorów FcγR na powierzchni komórek NK i neutrofilów z 7-10 - krotnie większym powinowactwem niż jego fukozylowany odpowiednik.

Przeciwciała monoklonalne bispecyficzne

Ponadto, tworzone są obecnie przeciwciała monoklonalne o podwójnej swoistości, czyli wiążące za pomocą dwóch różnych fragmentów Fab dwa antygeny (Ryc. 4). W zależności od użytej technologii są to np. dicia¬ła lub tandemowe cząsteczki BiTE (ang. bispecific T-cell engager, https://www.youtube.com/watch?v=P_2C3tXoxRw), a także DART (ang. dual affinity retargeting) i TandAb (ang. tandem antibody). Bispe¬cyficzne diciała mogą być używane w celu nakiero¬wania odpowiednich czynników toksycznych (radio¬izotopów, chemioterapeutyków i toksyn) w określone miejsca organizmu.

rycina4a

Ryc. 4 Bispecyficzne pochodne przeciwciał monoklonalnych. BiTE – bispecific T-cell enganger, DART – dual affinity retargeting, TandAb – tetravalent tandem antibody (na podstawie podręcznika „Immunologia”, Gołąb, Jakóbisiak, Lasek, wydanie 7).

Przykładem zastosowana BiTE w terapii nowotworów jest blinatumomab (wariant BiTE an¬ty-CD19 × anty-CD3), który został zarejestrowany w 2014 roku jako lek w ostrej białaczce limfoblastycznej. Mechanizm działania tego przeciwciała jest związany z zaangażowaniem limfocytów T (CD3+) do bezpośredniego niszczenia białaczkowych limfocytów B z ekspresją antygenu CD19 (Ryc. 5).

RYCINA5

Ryc. 5 Mechanizm działania pochodnych przeciwciał monoklonalnych BiTE (na podstawie podręcznika „Immunologia”, Gołąb, Jakóbisiak, Lasek, wydanie 7).

Literatura:

1. Jakub Gołąb, Marek Jakóbisiak, Witold Lasek, Tomasz Stokłosa: Immunologia. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2018.
2. Aiden E.L., Casellas R. Somatic rearrangement in B cells: It’s (mostly) nuclear physics. Cell 2016; 162: 708–711.
3. Geering B., Fussenegger M. Synthetic immunology: modulating the human immune system. Trends Biotechnol. 2015; 33: 65–79.
4. Lerner R.A. Combinatorial antibody libraries: new advances, new immunological insights. Nature Rev. Immunol. 2016; 16: 498–508.
5. Muyldermans S., Smider V.V. Distinct antibody species: structural differences creating therapeutic opportunities. Curr. Opin. Immunol. 2016; 40: 7–13.

Autorzy: dr Małgorzata Bobrowicz, dr Małgorzata Firczuk, dr Magdalena Winiarska

 

 

 

 

 

OPEN