(lr) Ariel Tennenhouse, Lev Khmelnitsky, prof. Sarel Fleishman en Razi Khalaila. Foto Weizmann Institute
Aan het einde van de negentiende eeuw begonnen artsen ziekten bij de mens te behandelen met bloedserum dat werd gewonnen uit geïmmuniseerde paarden.
Maar die extracten – die antilichamen bevatten die zich richten op ziekteverwekkers – veroorzaakten vaak rampzalige immunologische reacties. Aan het einde van de twintigste eeuw pakten onderzoekers de uitdaging opnieuw aan door dierlijke antilichamen nauwgezet te 'humaniseren' om een gewelddadige reactie van het immuunsysteem van de patiënt te voorkomen.
Het vervangen van de dierlijke segmenten van een antilichaam door menselijke segmenten is echter arbeidsintensief, tijdrovend en kostbaar; niet alleen dat, het kan een antilichaam minder effectief of zelfs geheel nutteloos maken. Nu hebben onderzoekers van het Weizmann Institute of Science in een studie gepubliceerd in Nature Biomedical Engineering een algoritme ontwikkeld dat volgens een nieuw principe werkt en een veel snellere en goedkopere manier biedt om dierlijke antilichamen aan te passen om ze veilig te maken voor mensen.
Antilichamen zijn eiwitten die in talloze versies verkrijgbaar zijn, die elk een specifieke ziekteverwekker kunnen neutraliseren nadat ze eraan zijn gebonden als een sleutel in een slot. Deze eiwitten zijn Y-vormige moleculen, waarvan het bovenste gedeelte bestaat uit twee uitgestrekte ‘handen’ die in tegengestelde richtingen wijzen. De handen zijn voorzien van “vingers” die ongelooflijk variabel zijn, waardoor ze een vrijwel eindeloze reeks ziekteverwekkers kunnen herkennen en vastgrijpen, terwijl het stamgebied van de Y redelijk constant is van het ene antilichaam tot het andere.
Hoewel een dierlijk antilichaam vaak de juiste ‘vingers’ heeft om zich aan een menselijke ziekteverwekker te binden, kan de rest van het dierlijke molecuul door het menselijke immuunsysteem worden geïdentificeerd als een vreemde indringer die moet worden overwonnen. Dit is de reden waarom het injecteren van dierlijke antilichamen in patiënten vaak tot catastrofes leidt.
“Het humaniseren van een antilichaam, zodat het ziekten in ons lichaam kan bestrijden zonder een immuunreactie uit te lokken, kan lastig zijn”, zegt teamleider prof. Sarel Fleishman van de afdeling Biomoleculaire Wetenschappen van Weizmann.
Hij legt uit dat de standaardaanpak is geweest om een menselijk antilichaam te selecteren dat het meest lijkt op de dierlijke versie, en vervolgens de dierlijke segmenten te vervangen door menselijke delen, terwijl de delen die tegen ziekten werken, behouden blijven. Maar omdat verschillende delen van het antilichaam met elkaar verbonden zijn, kunnen deze vervangingen het antilichaam onstabiel en ineffectief maken. “Het is alsof je de binnenmuren van een huis verandert zonder rekening te houden met de fundamenten ervan”, legt promovendus en hoofdauteur Ariel Tennenhouse uit.
Gelijkenis eruit, stabiliteit erin
Het laboratorium van Fleishman ging de uitdaging aan om met een betere aanpak te komen. Het lab is een eiwitontwerpcentrum, waarvan de leden computerprogramma's ontwikkelen die eiwitten verbeteren of nieuwe genereren. Omdat het al tientallen jaren bekend is dat het humaniseren van dierlijke antilichamen op basis van hun gelijkenis met menselijke antilichamen vaak resulteert in onstabiele moleculen, veronderstelde Tennenhouse dat stabiliteit een betrouwbaarder criterium voor humanisering zou kunnen zijn. Om dit te testen ontwikkelde hij de CUMAb, een algoritme voor computationele humanisering van antilichamen.
Samen met medewerkers paste hij vervolgens CUMAb toe om alle mogelijke manieren te onderzoeken om een muizenantilichaam te humaniseren. Het algoritme berekende maar liefst 20.000 gehumaniseerde varianten van een enkel antilichaam en voorspelde de structurele stabiliteit van elk antilichaam, waarbij de beste werden geselecteerd om te testen.
3D-structuur van de ‘vinger’ van een antilichaam, het deel dat zich aan een doelwit bindt. De gekleurde gebieden zijn verantwoordelijk voor het herkennen van het doelwit; de grijze gebieden bieden structurele steun. CUMAb vervangt de grijze gebieden door fragmenten van menselijke antilichamen, waardoor de interactie met het doelwit wordt behouden of zelfs enigszins wordt verbeterd, terwijl het antilichaam wordt gestabiliseerd en de compatibiliteit ervan met het immuunsysteem van de patiënt wordt vergroot. Foto Weizmann Institute
De volgende stap was het maken van ‘hardcopy’-versies van de belangrijkste antilichamen en deze testen om te zien of CUMAb en de hypothese erachter correct waren. Het team synthetiseerde samen met verschillende andere laboratoria vijf verschillende antilichamen en testte deze experimenteel. Eén van die antilichamen is gemaakt op basis van een muisversie van een antilichaam dat de groei en verspreiding van kankercellen kan stoppen. Eerdere pogingen om dit antilichaam te humaniseren waren op een dood spoor beland. De wetenschappers voerden de sequentie van de muisversie van dit antilichaam in het programma in en kozen de meest waarschijnlijke varianten om te synthetiseren en te testen.
“De resultaten waren buitengewoon”, zegt Fleishman. “Zonder aanvullende aanpassingen aan de voorgestelde ontwerpen functioneerden de gehumaniseerde antilichamen net zo effectief als het origineel van de muis.” Tests van vier andere antilichamen, allemaal ontworpen met CUMAb, waren net zo indrukwekkend en overtroffen soms zelfs de activiteit of stabiliteit van het oorspronkelijke dierlijke antilichaam.
CUMAb is een krachtig nieuw hulpmiddel dat het ontwerp van nieuwe op antilichamen gebaseerde geneesmiddelen aanzienlijk zou kunnen versnellen en de ontwikkelingskosten zou kunnen verlagen. Fleishman en zijn team hebben van het algoritme een webserver gemaakt die elke academicus kan gebruiken. “Dit is de eerste keer dat een methode zo’n breed succes heeft opgeleverd in dit cruciale biomedische technologieprobleem. Het is zeer waarschijnlijk dat het een sleutelelement zal worden in het versnellen van de overgang van therapeutische kandidaat-moleculen naar echte medicijnen”, zegt Fleishman.
De nieuwe benadering voor het humaniseren van antilichamen zou kunnen worden toegepast op andere kwesties in de therapeutische antilichaamtechniek. Veel antilichaamformuleringen hebben bijvoorbeeld de neiging zeer stroperig te zijn en moeten vóór gebruik worden verdund. Deze worden vervolgens via een infuus toegediend en het kan uren duren voordat voldoende antilichaam in de bloedbaan terechtkomt. Met een computerprogramma dat een aantal levensvatbare antilichamen oplevert, kunnen onderzoekers er mogelijk een aantal kiezen die minder verdunning vereisen of andere eigenschappen hebben waardoor ze gemakkelijker of comfortabeler kunnen worden toegediend, waardoor de resultaten voor patiënten worden verbeterd.
“We hopen dat CUMAb, nu online toegankelijk , onderzoekers en professionals in staat zal stellen sneller en nauwkeuriger antilichamen te ontwikkelen”, zegt Tennenhouse.
