肿瘤微环境响应CD137激动型抗体的开发和临床基础研究

多克隆抗体相关的免疫疗法在近年的抗肿瘤研究中已经获得了令人欣喜的成果。我们所熟知的免疫检查点疗法就是利用抗CTLA4或抗PD-1/PD-L1封闭阻断肿瘤细胞或免疫细胞表面的配/受体来解除肿瘤微环境中的深度免疫抑制状态,从而重新释放抗肿瘤免疫的活力。今天和大家分享一篇2020年8月online的和肿瘤免疫治疗相关的文章,题目是 “Antibody to CD137 Activated by Extracellular Adenosine Triphosphate Is Tumor Selective and Broadly Effective In Vivo without Systemic Immune Activation”,本文发表于美国癌症研究协会旗舰期刊《Cancer Discovery》[1]。

本文的主角名为“CD137“(也称“4-1BB”),它是肿瘤坏死因子超家族成员之一,其主要分布于T细胞表面。在T细胞接收抗原信号时,激动这一受体可使T细胞上调自身抗凋亡通路并分泌IFNγ,从而增强其免疫功能;另外CD137强大的免疫激活功能也使其被利用于CAR-T细胞的设计。然而,对于CD137的激动型治疗抗体的药物开发却并不顺利,最主要的原因就是:由于普通抗体药物无法区分血浆、正常组织和肿瘤组织中抗原,利用CD137激动抗体往往会引起系统性免疫激活,从而导致严重的副反应。这种现象通常被称为“on-target off-tumor”[2]。

一些对抗“on-target off-tumor”的策略和正在开展的临床研究

为了解决这一问题,研究人员曾将CD137抗体和靶向肿瘤抗原的抗体设计为一体,增加了抗体药物靶向肿瘤组织的同时也不可避免地增加了此类药物对于肿瘤特异性抗原的依赖。本文从这一问题出发,设计了能够响应细胞外ATP(exATP)的CD137激动型抗体药物:STA551,并在实验动物恒河猴模型上进行了验证,为肿瘤的靶向治疗和微环境响应药物的靶点设计提供新的思路。

本文作者首先设计了ATP依赖的CD137结合抗体,这一过程分为两步:1.利用天然抗体库筛选能够与ATP结合的抗体,2.利用筛选得到的抗体组建能够与ATP结合的抗体基序。在随后的设计过程中,保留这些基序并改变抗体互补决定区的其他氨基酸。最后利用生物信息学手段不断筛选、优化和改进,最终得到只有在ATP存在的情况下才与CD137高度亲和的抗体:STA551的雏形。进一步在这一阶段,研究团队对STA551抗体的恒定区进行了突变使其获得更强大的CD137激活效果。同时,研究者也证实STA551作为激动型抗体,本身不会对T细胞产生任何负面影响:如抗体介导的细胞毒性(ADCC)、抗体介导的胞吞作用(ADCP)和抗体依赖的补体介导的细胞毒性(CDC)。

STA551、Ure-hIgG4和Uto-hIgG2在不同ATP环境下与恒河猴CD137结合的结合常数(Kd)

接着,研究团队对STA551的细胞学作用展开了体外研究。研究者以一种传统CD137激动抗体(Ure-hIgG4)为对照,对STA551的ATP依赖的CD137激活作用进行了验证。实验发现,只有在ATP存在的情况下,STA551才会表现出CD137的激动活性并能够促进CD8+T细胞分泌INFγ;而Ure-hIgG4却无此依赖性。随后,为了在天然的实验条件中验证这一现象,研究团队还使用STA551和Ure-hIgG4在添加ATP的条件下分别干预了20位健康者的外周血单核细胞(PBMCs),在这一条件下STA551甚至呈现较Ure-hIgG4更优秀的CD137激动能力,产生更多的INFγ。

人CD8+T淋巴细胞在有无ATP情况下受到

STA551和Ure-hIgG4干预产生IFNγ的情况

人PBMCs在受到STA551和Ure-hIgG4刺激后

IFNγ的产生情况

进一步,作者将研究推进,进入小鼠体内实验阶段。研究团队巧妙的将STA55 1和Ure-hIgG4的抗人抗体恒定区改造为类似小鼠IgG1的抗体恒定区,这样就使得这两种抗体药物可以接受人的CD137结合,并通过恒定区域激活小鼠的下游细胞信号转导。接着研究者在 “敲入”人的CD137的实验小鼠中分别接种了5种常见的小鼠肿瘤细胞系(鼠白血病细胞C1498、小鼠T淋巴瘤细胞E.G7-OVA、小鼠肝癌细胞Hepa1-6/hGPC3、小鼠肺癌细胞LLC1和小鼠结肠癌细胞Colon38)。研究团队使用改造后的抗体药物对其进行了干预后发现,STA551的改造药物对各类肿瘤均具有显著的抗肿瘤活性,显著抑制了肿瘤的生长。于此同时,研究者对组织内细胞外ATP相关的基因(P2rx7,S100a3, and Rpl38)和细胞外ATP水平进行了检测,发现这些肿瘤中均具有这些基因的显著高表达和较高的细胞外ATP。

为了证明STA551不会像一般CD137激动抗体一样引起系统性免疫激活。作者研究了在无瘤的人CD137“敲入”的小鼠和无瘤野生型小鼠中Sta-MB和Ure-MB(STA551 和Ure-hIgG4的改造后药物)的清除过程。结果表明,Sta-MB在野生小鼠和CD137敲入小鼠中具有类似的较为缓慢的药物消除过程。这表明,Sta-MB不会通过结合血液中的CD137而被清除。与之相反的是Ure-MB在CD137敲入小鼠中,即使小鼠不荷瘤,Ure-MB也会由于和血液中CD137结合而导致其快速清除。另一方面,作者也以淋巴结、脾脏相对重量等指标评估了使用Ure-MB和Sta-MB系统性免疫激活状态。

适应小鼠的STA551和Ure-hIgG4的改造药物

Sta-MB和Ure-MB在野生和人CD137敲入小鼠中的清除情况

随后,研究者应用恒河猴对Sta-MB的药物代谢动力学以及毒理学进行了评估。实验表明Sta-MB的半衰期可以达到14天,而其他参数与一般IgG抗体药物无异。

接着,作者研究了Sta-MB瘤内响应机制,结果表明Sta-MB能在更低剂量水平(较Ure-MB)增强肿瘤内CD8+T细胞浸润(CD8β1表达增加),促进其活性(INFγ表达增加)并促进其溶细胞作用(颗粒酶、穿孔素表达增加)。

CD8β1、INFγ、颗粒酶和穿孔素在Sta-MB和Ure-MB

干预后的肿瘤组织内mRNA表达情况

最后,作者研究了Sta-MB与经典PD-L1抗体和T细胞重定向双靶向抗体(T-cell Redirecting Antibody,anti-hGPC3/mCD3)联用对于肿瘤的治疗效果。在不引起系统性免疫激活的状况下,两种联用治疗方法均展现出良好的耐受性和抗肿瘤活性。

Sta-MB与PD-L1联用(上);

与T细胞重定向抗体联用(中);

STA551与T细胞重定向抗体联用(下)后

肿瘤的生长状况

本文通过前期筛选,建立抗体分子的ATP结合基序文库,并通过生物信息学不断优化最终获得能够响应肿瘤微环境中丰富的细胞ATP的CD137激动抗体;并通过细胞的体外实验,小鼠和恒河猴的体内实验探讨了这一CD137激动抗体的有效性、安全性,并揭示了其作用机制。这一研究突破了CD137抗体药物导致免疫系统性激活从而导致不良反应限制其应用的困境。

本文亮点:1. 利用基序文库挖掘发现了ATP依赖的CD137结合抗体,其本质实际上是:ATP参与组成抗体与CD137结合的互补可变区。2. 通过小/大动物的在体实验,多种肿瘤细胞接种,系统验证了CD137激动抗体的作用,耗资巨大,是一篇典型的药物开发型文章。这篇文章的第一通讯单位也是日本制药的龙头公司:中外制药(中外製薬株式会社/Chugai Pharmaceutical Co.)3. 这篇文章提示我们,当今肿瘤微环境响应药物的研究仍不过时,关键是抓住具有创新性的响应靶点。

STA551在ATP存在情况下与CD137结合

参考文献

1. Kamata-Sakurai, M., et al., Antibody to CD137 Activated by Extracellular Adenosine Triphosphate Is Tumor Selective and Broadly Effective In Vivo without Systemic Immune Activation. Cancer Discov, 2020.

2. Gross, G. and Z. Eshhar, Therapeutic Potential of T Cell Chimeric Antigen Receptors (CARs) in Cancer Treatment: Counteracting Off-Tumor Toxicities for Safe CAR T Cell Therapy. Annu Rev Pharmacol Toxicol, 2016. 56: p. 59-83.

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