Моноклональное антитело ( mAb , реже называемое moAb ) — это антитело, полученное из клеточной линии , созданной путем клонирования уникальной белой кровяной клетки . Все последующие антитела, полученные таким образом , восходят к уникальной родительской клетке.
Моноклональные антитела могут иметь моновалентное сродство, связываясь только с одним и тем же эпитопом (частью антигена , которая распознается антителом). [3] Напротив, поликлональные антитела связываются с несколькими эпитопами и обычно производятся несколькими различными линиями плазматических клеток , секретирующих антитела. Биспецифические моноклональные антитела также могут быть сконструированы путем увеличения терапевтических целей одного моноклонального антитела до двух эпитопов.
Можно производить моноклональные антитела, которые специфически связываются практически с любым подходящим веществом; затем они могут служить для его обнаружения или очистки. Эта возможность стала исследовательским инструментом в биохимии , молекулярной биологии и медицине . Моноклональные антитела используются для диагностики таких заболеваний, как рак и инфекции [4], а также используются в терапевтических целях при лечении, например, рака и воспалительных заболеваний.
В начале 1900-х годов иммунолог Пауль Эрлих предложил идею Zauberkugel – « волшебной пули », задуманной как соединение, которое избирательно воздействует на болезнетворный организм и может доставлять токсин для этого организма. Это легло в основу концепции моноклональных антител и моноклональных лекарственных конъюгатов. Эрлих и Эли Мечников получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1908 года за предоставление теоретической основы иммунологии.
К 1970-м годам были известны лимфоциты , продуцирующие одно антитело, в форме множественной миеломы — рака, поражающего В-клетки . Эти аномальные антитела или парапротеины использовались для изучения структуры антител, но пока не было возможности производить идентичные антитела, специфичные для данного антигена . [5] : 324 В 1973 году Джеррольд Швабер описал производство моноклональных антител с использованием гибридных клеток человека и мыши. [6] Эта работа по-прежнему широко цитируется среди тех, кто использует гибридомы, полученные от человека . [7] В 1975 году Жоржу Кёлеру и Сезару Мильштейну удалось осуществить слияние линий клеток миеломы с В-клетками, чтобы создать гибридомы, которые могли продуцировать антитела, специфичные для известных антигенов, и которые были бессмертны. [8] Они и Нильс Кай Йерне разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1984 году за это открытие. [8]
В 1988 году Грегори Винтер и его команда стали пионерами в области гуманизации моноклональных антител, [9] устранив реакции, которые многие моноклональные антитела вызывали у некоторых пациентов. К 1990-м годам исследования достигли прогресса в использовании моноклональных антител в терапевтических целях, а в 2018 году Джеймс П. Эллисон и Тасуку Хондзё получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие терапии рака путем ингибирования отрицательной иммунной регуляции с использованием моноклональных антител, которые предотвращают ингибирующие связи. [10]
Трансляционная работа, необходимая для внедрения этих идей, приписывается Ли Надлеру. Как поясняется в статье NIH, «Он был первым, кто открыл моноклональные антитела, направленные против человеческих В-клеточных специфических антигенов, и, по сути, все известные человеческие В-клеточные специфические антигены были обнаружены в его лаборатории. Он является настоящим трансляционным исследователем, поскольку он использовал эти моноклональные антитела для классификации человеческого В-клеточного лейкоза и лимфом, а также для создания терапевтических средств для пациентов... Что еще более важно, он был первым в мире, кто ввел моноклональное антитело человеку (пациенту с В-клеточной лимфомой)». [11]
Большая часть работы по производству моноклональных антител коренится в производстве гибридом, которое включает в себя идентификацию антигенспецифических плазменных/плазмобластных клеток, которые вырабатывают антитела, специфичные к интересующему антигену, и слияние этих клеток с миеломными клетками. [8] Кроличьи В-клетки могут быть использованы для формирования кроличьей гибридомы . [12] [13] Полиэтиленгликоль используется для слияния соседних плазматических мембран, [14] но процент успеха низок, поэтому используется селективная среда, в которой могут расти только слитые клетки. Это возможно, поскольку миеломные клетки утратили способность синтезировать гипоксантин-гуанин-фосфорибозилтрансферазу (HGPRT), фермент, необходимый для синтеза нуклеиновых кислот. Отсутствие HGPRT не является проблемой для этих клеток, если только также не нарушен путь синтеза пуринов de novo . Воздействие на клетки аминоптерина ( аналога фолиевой кислоты , который ингибирует дигидрофолатредуктазу ) делает их неспособными использовать путь de novo и становятся полностью ауксотрофными по отношению к нуклеиновым кислотам , поэтому для выживания им требуются добавки.
Селективная культуральная среда называется средой HAT , поскольку содержит гипоксантин , аминоптерин и тимидин . Эта среда является селективной для слитых ( гибридомных ) клеток. Неслитые клетки миеломы не могут расти, поскольку у них отсутствует HGPRT, и, таким образом, они не могут реплицировать свою ДНК. Неслитые клетки селезенки не могут расти бесконечно из-за их ограниченной продолжительности жизни. Только слитые гибридные клетки, называемые гибридомами, способны расти бесконечно в среде, поскольку партнер-селезеночная клетка поставляет HGPRT, а партнер-миелома обладает чертами, которые делают его бессмертным (подобно раковой клетке).
Эту смесь клеток затем разбавляют, и клоны выращивают из отдельных родительских клеток на микротитровальных лунках. Антитела, секретируемые различными клонами, затем анализируют на их способность связываться с антигеном (с помощью теста, такого как ИФА или антигенный микроматричный анализ) или иммуно- дот-блот . Затем наиболее продуктивный и стабильный клон отбирается для будущего использования.
Гибридомы можно выращивать неограниченное количество времени в подходящей среде для культивирования клеток. Их также можно вводить мышам (в брюшную полость , окружающую кишечник). Там они производят опухоли, секретирующие богатую антителами жидкость, называемую асцитной жидкостью.
Среда должна быть обогащена во время in vitro селекции для дальнейшего благоприятствования росту гибридомы. Это может быть достигнуто путем использования слоя фидерных фиброцитарных клеток или дополнительной среды, такой как бриклон. Можно использовать культуральные среды, обусловленные макрофагами. Производство в клеточной культуре обычно является предпочтительным, поскольку метод асцита болезнен для животного. Там, где существуют альтернативные методы, асцит считается неэтичным . [15]
Недавно было разработано несколько технологий моноклональных антител, [16] таких как фаговый дисплей , [17] культура отдельных В-клеток, [18] амплификация отдельных клеток из различных популяций В-клеток [19] [20] [21] [22] [23] и технологии опроса отдельных плазматических клеток. В отличие от традиционной технологии гибридом, новые технологии используют методы молекулярной биологии для амплификации тяжелых и легких цепей генов антител с помощью ПЦР и производят либо в бактериальных, либо в млекопитающих системах с помощью рекомбинантной технологии. Одним из преимуществ новых технологий является применимость к нескольким животным, таким как кролик, лама, курица и другие обычные экспериментальные животные в лаборатории.
После получения либо образца среды культивируемых гибридом, либо образца асцитной жидкости, желаемые антитела должны быть извлечены. Загрязнители образца клеточной культуры в основном состоят из компонентов среды, таких как факторы роста, гормоны и трансферрины . Напротив, образец in vivo, вероятно, будет содержать антитела хозяина, протеазы , нуклеазы , нуклеиновые кислоты и вирусы . В обоих случаях могут присутствовать другие выделения гибридом, такие как цитокины . Также может быть бактериальное загрязнение и, как следствие, эндотоксины , которые выделяются бактериями. В зависимости от сложности среды, необходимой для культивирования клеток, и, следовательно, загрязняющих веществ, один или другой метод ( in vivo или in vitro ) может быть предпочтительным.
Образец сначала кондиционируется или подготавливается к очистке. Сначала удаляются клетки, клеточный дебрис, липиды и сгустки, обычно центрифугированием с последующей фильтрацией через фильтр 0,45 мкм. Эти крупные частицы могут вызвать явление, называемое загрязнением мембраны, на более поздних этапах очистки. Кроме того, концентрация продукта в образце может быть недостаточной, особенно в случаях, когда желаемое антитело вырабатывается низкосекретирующей клеточной линией. Поэтому образец концентрируется с помощью ультрафильтрации или диализа .
Большинство заряженных примесей обычно представляют собой анионы, такие как нуклеиновые кислоты и эндотоксины. Их можно разделить с помощью ионообменной хроматографии . [24] Либо катионообменная хроматография используется при достаточно низком pH , чтобы желаемое антитело связывалось с колонкой, в то время как анионы протекают через нее, либо анионообменная хроматография используется при достаточно высоком pH , чтобы желаемое антитело протекало через колонку, в то время как анионы связываются с ней. Различные белки также могут быть разделены вместе с анионами на основе их изоэлектрической точки (pI). В белках изоэлектрическая точка (pI) определяется как pH, при котором белок не имеет чистого заряда. Когда pH > pI, белок имеет чистый отрицательный заряд, а когда pH < pI, белок имеет чистый положительный заряд. Например, альбумин имеет pI 4,8, что значительно ниже, чем у большинства моноклональных антител, которые имеют pI 6,1. Таким образом, при pH от 4,8 до 6,1 средний заряд молекул альбумина, вероятно, будет более отрицательным, в то время как молекулы mAbs заряжены положительно, и, следовательно, их можно разделить. Трансферрин, с другой стороны, имеет pI 5,9, поэтому его нельзя легко разделить этим методом. Для хорошего разделения необходима разница в pI не менее 1.
Трансферрин можно удалить с помощью гель-хроматографии . Этот метод является одним из наиболее надежных методов хроматографии. Поскольку мы имеем дело с белками, такие свойства, как заряд и сродство, не являются постоянными и изменяются в зависимости от pH, поскольку молекулы протонируются и депротонируются, в то время как размер остается относительно постоянным. Тем не менее, он имеет такие недостатки, как низкое разрешение, низкая емкость и малое время элюирования .
Гораздо более быстрый, одношаговый метод разделения — аффинная хроматография белка A/G . Антитело селективно связывается с белком A/G, поэтому достигается высокий уровень чистоты (обычно >80%). Обычно жесткие условия этого метода могут повредить легко повреждаемые антитела. Низкий pH может разорвать связи, чтобы удалить антитело из колонки. Помимо возможного влияния на продукт, низкий pH может привести к тому, что сам белок A/G вытечет из колонки и появится в элюированном образце. Доступны мягкие системы буферов для элюирования, которые используют высокие концентрации солей, чтобы избежать воздействия на чувствительные антитела низкого pH. Стоимость также является важным соображением при использовании этого метода, поскольку иммобилизованный белок A/G является более дорогой смолой.
Для достижения максимальной чистоты за один шаг можно провести аффинную очистку, используя антиген для обеспечения специфичности антитела. В этом методе антиген, используемый для получения антитела, ковалентно прикрепляется к агарозной подложке. Если антиген представляет собой пептид , его обычно синтезируют с терминальным цистеином , что позволяет избирательно прикрепляться к белку-носителю, например, KLH, во время разработки и для поддержки очистки. Затем среда, содержащая антитело, инкубируется с иммобилизованным антигеном либо в партии, либо по мере пропускания антитела через колонку, где оно избирательно связывается и может удерживаться, в то время как примеси вымываются. Затем для извлечения очищенного антитела из подложки используется элюирование буфером с низким pH или более мягким буфером элюирования с высоким содержанием соли.
Гетерогенность продукта распространена в моноклональных антителах и других рекомбинантных биологических продуктах и обычно вводится либо на этапе экспрессии, либо на этапе производства. [25] [26] [27]
Эти варианты обычно представляют собой агрегаты, продукты дезамидирования , варианты гликозилирования , окисленные боковые цепи аминокислот, а также амино- и карбоксильные концевые аминокислотные добавления. [28] Эти, казалось бы, незначительные структурные изменения могут повлиять на доклиническую стабильность и оптимизацию процесса, а также на терапевтическую эффективность продукта, биодоступность и иммуногенность . Общепринятый метод очистки технологических потоков для моноклональных антител включает захват целевого продукта белком А , элюирование, подкисление для инактивации потенциальных вирусов млекопитающих, за которым следует ионная хроматография , сначала с анионными шариками , а затем с катионными шариками. [ необходима цитата ]
Вытеснительная хроматография использовалась для идентификации и характеристики этих часто невидимых вариантов в количествах, которые подходят для последующих доклинических оценочных схем, таких как фармакокинетические исследования животных. [29] [30] Знания, полученные на этапе доклинической разработки, имеют решающее значение для улучшенного понимания качества продукта и обеспечивают основу для управления рисками и повышения гибкости регулирования. Недавняя инициатива Управления по контролю за продуктами питания и лекарственными средствами « Качество через проектирование» пытается предоставить руководство по разработке и облегчить проектирование продуктов и процессов, которые максимизируют эффективность и профиль безопасности, одновременно повышая технологичность продукта. [31]
Производство рекомбинантных моноклональных антител включает в себя клонирование репертуара , CRISPR/Cas9 или технологии фагового дисплея / дрожжевого дисплея . [32] Рекомбинантная инженерия антител включает в себя производство антител с использованием вирусов или дрожжей , а не мышей. Эти методы основаны на быстром клонировании сегментов гена иммуноглобулина для создания библиотек антител с немного отличающимися аминокислотными последовательностями, из которых можно выбрать антитела с желаемой специфичностью. [33] Библиотеки фаговых антител являются вариантом библиотек фаговых антигенов. [34] Эти методы можно использовать для повышения специфичности, с которой антитела распознают антигены, их стабильности в различных условиях окружающей среды, их терапевтической эффективности и их обнаруживаемости в диагностических приложениях. [35] Камеры ферментации использовались для крупномасштабного производства антител.
Хотя мышиные и человеческие антитела структурно схожи, различий между ними оказалось достаточно, чтобы вызвать иммунный ответ при введении мышиных моноклональных антител человеку, что привело к их быстрому выведению из крови, а также системным воспалительным эффектам и выработке человеческих антимышиных антител (HAMA).
Рекомбинантная ДНК изучалась с конца 1980-х годов для увеличения времени пребывания. В одном подходе, называемом «CDR grafting», [36] мышиная ДНК, кодирующая связывающую часть моноклонального антитела, была объединена с ДНК, продуцирующей антитела человека в живых клетках. Экспрессия этой « химерной » или «гуманизированной» ДНК через клеточную культуру дала частично мышиные, частично человеческие антитела. [37] [38]
С тех пор, как было обнаружено, что моноклональные антитела могут быть получены, ученые нацелились на создание полностью человеческих продуктов, чтобы уменьшить побочные эффекты гуманизированных или химерных антител. Было предложено несколько успешных подходов: трансгенные мыши , [39] фаговый дисплей [17] и клонирование отдельных В-клеток. [16]
Моноклональные антитела дороже в производстве, чем малые молекулы, из-за сложных процессов и общего размера молекул, и все это в дополнение к огромным затратам на исследования и разработки, связанным с предоставлением нового химического вещества пациентам. Они имеют цену, позволяющую производителям окупить обычно большие инвестиционные затраты, и там, где нет контроля цен, как в Соединенных Штатах, цены могут быть выше, если они обеспечивают большую ценность. Семь исследователей из Университета Питтсбурга пришли к выводу, что «годовая стоимость терапии mAb примерно на 100 000 долларов выше в онкологии и гематологии, чем в других болезненных состояниях», сравнивая их на основе расчета на одного пациента с таковыми для сердечно-сосудистых или метаболических расстройств, иммунологии, инфекционных заболеваний, аллергии и офтальмологии. [40]
После получения моноклональных антител к данному веществу их можно использовать для обнаружения присутствия этого вещества. Белки можно обнаружить с помощью вестерн-блоттинга и иммуно- дот-блоттинга . В иммуногистохимии моноклональные антитела можно использовать для обнаружения антигенов в фиксированных срезах тканей, а иммунофлуоресценцию можно использовать для обнаружения вещества как в замороженном срезе ткани, так и в живых клетках.
Антитела также можно использовать для очистки целевых соединений из смесей, используя метод иммунопреципитации .
Терапевтические моноклональные антитела действуют посредством множества механизмов, таких как блокирование функций целевых молекул, индукция апоптоза в клетках, которые экспрессируют мишень, или модуляция сигнальных путей. [41] [42] [43]
Одно из возможных методов лечения рака включает моноклональные антитела, которые связываются только с антигенами, специфичными для раковых клеток , и вызывают иммунный ответ против целевой раковой клетки. Такие mAb могут быть модифицированы для доставки токсина , радиоизотопа , цитокина или другого активного конъюгата или для разработки биспецифических антител , которые могут связываться своими Fab-областями как с целевым антигеном, так и с конъюгатом или эффекторной клеткой. Каждое интактное антитело может связываться с клеточными рецепторами или другими белками с помощью своего Fc-региона .
Моноклональные антитела, одобренные FDA для лечения рака, включают: [45]
Моноклональные антитела, используемые при аутоиммунных заболеваниях , включают инфликсимаб и адалимумаб , которые эффективны при ревматоидном артрите , болезни Крона , язвенном колите и анкилозирующем спондилите благодаря своей способности связываться с ФНО-α и ингибировать его . [46] Базиликсимаб и даклизумаб ингибируют ИЛ-2 на активированных Т-клетках и тем самым помогают предотвратить острое отторжение трансплантатов почек. [46] Омализумаб ингибирует человеческий иммуноглобулин E (IgE) и полезен при лечении умеренной и тяжелой аллергической астмы .
Моноклональные антитела для исследовательских целей можно найти напрямую у поставщиков антител или с помощью специализированной поисковой системы, такой как CiteAb . Ниже приведены примеры клинически важных моноклональных антител.
В 2020 году Управление по контролю за продуктами и лекарствами США выдало экстренные разрешения на применение моноклональных антител бамланивимаб/этесевимаб и казирививимаб/имдевимаб для сокращения числа госпитализаций, посещений отделений неотложной помощи и смертей из-за COVID-19 . [48] [49] В сентябре 2021 года администрация Байдена закупила моноклональные антитела Regeneron на сумму 2,9 млрд долларов США по цене 2100 долларов США за дозу, чтобы сократить дефицит. [51]
По состоянию на декабрь 2021 года тесты нейтрализации in vitro указывают на то, что терапия моноклональными антителами (за исключением сотровимаба и тиксагевимаба/цилгавимаба ) вряд ли будет эффективна против варианта Омикрон. [52]
В течение 2021–2022 годов два обзора Cochrane обнаружили недостаточно доказательств для использования нейтрализующих моноклональных антител для лечения инфекций COVID-19. [53] [54] Обзоры применялись только к людям, которые не были вакцинированы против COVID-19, и только к вариантам COVID-19, существовавшим во время исследований, а не к более новым вариантам, таким как Omicron. [54]
В марте 2024 года пемивибарт , препарат на основе моноклональных антител, получил экстренное разрешение от FDA США на использование в качестве профилактики до контакта с целью защиты от COVID-19 некоторых лиц с умеренно или сильно ослабленным иммунитетом. [55] [56]
Несколько моноклональных антител, таких как бевацизумаб и цетаксимаб , могут вызывать различные виды побочных эффектов. [57] Эти побочные эффекты можно разделить на общие и серьезные побочные эффекты. [58]
Некоторые распространенные побочные эффекты включают в себя:
Среди возможных серьезных побочных эффектов: [59]