Tot op heden was het nog niet bekend hoe antilichaamgemedieerde complementactivering precies werkt. Wetenschappers van de Universiteit van Utrecht en Leiden en het biotechnologiebedrijf Genmab beschreven voor het eerst de initiële stappen van dit proces die onlangs zijn gepubliceerd in Science. Het blijkt dat de effectiviteit van therapeutische antilichamen op een geheel nieuwe manier versterkt kan worden zonder specificiteitsvermindering. Dit vertaalt zich in de ontwikkeling van een nieuwe generatie medicijnen voor kanker en andere ziekten.
Antilichamen spelen een belangrijke rol in de activering van het complementsysteem dat kan worden ingezet voor het vernietigen van kankercellen. Voor een aantal therapeutische antilichamen die toegepast worden als kankermedicijn, zoals rituximab en ofatumumab, is dit reeds aangetoond.1
In de klassieke complementactiveringsroute zorgt binding van het bloedeiwit C1q aan IgM- of IgG-antilichamen voor activering van enzymen in het C1-complementcomplex. Hierdoor wordt een cascade van additionele bloedeiwitten (het complementsysteem) aangezet, hetgeen leidt tot de vorming van een membrane-attack complex dat de celmembraan perforeert en de kankercel vernietigt. Dit is een zeer sterk vernietigingsmechanisme dat heel gestructureerd en gecontroleerd verloopt. Zowel antilichamen als complementeiwitten zijn in hoge concentraties in de bloedbaan aanwezig en het is dan ook van levensbelang dat het complementsysteem daar niet antigeenonafhankelijk geactiveerd wordt.
Specifieke activering
C1q is een groot molecuul dat bestaat uit zes antilichaambindende domeinen die samengehouden worden via collageenachtige strengen. IgM komt in zijn natuurlijke vorm vooral voor als pentameren, maar ook als hexameren. In deze polymere structuren kan een IgM-molecuul binden aan meerdere antilichaambindende domeinen van C1q, hetgeen een sterke binding (hoge aviditeit) bewerkstelligt. In vrij IgM zitten de bindingsplaatsen voor C1q echter verborgen in de structuur en komen pas vrij door een conformationele verandering die optreedt bij specifieke binding aan het antigeen. Op deze manier wordt aspecifieke complementactivering in de bloedbaan voorkomen. Bij IgG, dat in de bloedbaan als monomeer voorkomt, worden de C1q-bindingsplaatsen wel continu aan complementfactoren blootgesteld. Door de lage bindingssterkte van de IgG-C1q-interactie resulteert dit echter niet in complementactivering door vrij IgG. Hoe IgG dan complement kan activeren na specifieke antigeenbinding, was tot nu toe onbekend.
Dockingstation
Dr. Paul Parren verrichtte in de tijd dat hij werkzaam was bij het Scripps Research Instituut in La Jolla, Verenigde Staten, onderzoek aan de kristalstructuur van humaan IgG. Deze studies toonden aan dat IgG-antilichamen kunnen bestaan als hexamere structuren waarin de IgG-monomeren onderling contact maken via niet-covalente interacties tussen specifieke plaatsen in de Fc-staarten.2 Vanuit deze bevindingen ontstond de hypothese dat IgG-antilichamen zich op een celoppervlak kunnen organiseren als hexameren om een soort dockingstation voor C1q te vormen dat sterke binding mogelijk maakt om complement te activeren.
Parren zette dit fundamenteel onderzoek voort bij Genmab in Utrecht, dat gespecialiseerd is in de ontwikkeling van therapeutische antilichamen. Aan de hand van mutagenesestudies konden onderzoekers de Fc-Fc-interacties tussen antilichamen beïnvloeden en complementactivering verminderen, of juist versterken. Om deze bevindingen verder te onderbouwen en te visualiseren keken onderzoekers van de Universiteit van Utrecht en Leiden onder begeleiding van prof. dr. Piet Gros, hoogleraar Biomacromoleculaire Kristallografie, naar membraangebonden C1-antilichaamcomplexen aan de hand van elektronenmicroscopie bij het Netherlands Centre for Electron Nanoscopy (NeCEN) in Leiden. Doordat hier toegang was tot de meest geavanceerde cryo-transmissie elektronenmicroscopen voor biologische toepassingen kon een unieke dataset gecreëerd worden. De C1-antilichaamcomplexen op de membraan werden waargenomen als een Eiffeltoren-achtige structuur die compatibel was met het eerder voorgesteld model van C1-binding op antigeengebonden antilichaamhexameren (zie Figuur).
Versterking effectiviteit
Deze bevindingen bewijzen dat IgG-antilichamen zich na binding aan hun antigeen op cellen inderdaad groeperen in een ringstructuur van zes antilichamen (hexameren) dat als een moleculair C1q-dockingstation werkt. In deze structuur werken de antilichamen als het ware samen om C1q met hoge aviditeit te binden en complement te activeren.3 In de studie bleek dat hexamerisering en complementgemedieerde afweer tegen kankercellen kunnen worden versterkt door bepaalde aminozuren in het gebied waar de Fc-staarten van de antilichamen bij elkaar komen, te muteren. Dit inzicht dat de effectiviteit van therapeutische antilichamen, die doorgaans van het IgG-isotype zijn, op een geheel nieuwe manier versterkt kan worden zonder specificiteitsvermindering, vertaalt zich nu in de ontwikkeling van een nieuwe generatie medicijnen voor kanker en andere ziekten.
Referenties
1. Glennie MJ, et al. Mol Immunol. 2007;44:3823-37.
2. Saphire EO, et al. Science 2001;293:1155-9.
3. Diebolder CA, et al. Science 2014;343:1260-3.
Prof. dr. P. Gros, hoogleraar Biomacromoleculaire Kristallografie
Universiteit Utrecht
Dr. P.W.H.I. Parren, wetenschappelijk directeur
Genmab
Utrecht
Oncologie Up-to-date 2014 vol 5 nummer 3