Einzeldomänen-Antikörper oder Nanokörper sind kürzlich als potenzielle Behandlung für COVID-19 ins Rampenlicht gerückt. Ein von der Beroni Group, einem australischen Biotechnologieunternehmen, entwickeltes COVID-19-Therapeutikum auf der Grundlage von Nanokörpern befindet sich derzeit in der präklinischen Testphase. Obwohl das therapeutische Potenzial von Nanokörpern erst allmählich erkannt wird, werden sie bereits seit Jahrzehnten erforscht.
Im Jahr 1989 entdeckten zwei Doktoranden der Vrije Universiteit Brussel zufällig eine einzigartige Eigenschaft von Kameliden (u. a. Kamele, Lamas und Alpakas). Bei der Untersuchung von gefrorenem Kamelblutserum stellten die Studenten fest, dass Kameliden nicht nur herkömmliche Antikörper produzieren, sondern auch einen einzigartigen sekundären Satz von Einzelketten-Antikörpern (scAbs), die aus zwei identischen Polypeptiden mit schwerer Kette bestehen, von denen jedes zwei zusammenhängende konstante Domänen, eine Scharnierregion und eine variable Domäne enthält. (Die konstanten Domänen jeder schweren Kette verlaufen parallel; jenseits der Scharnierregion laufen die variablen Domänen wie die Arme des Buchstaben „Y“ auseinander). Jede der variablen Domänen des scAb dient als Antigen-bindendes Modul.
Diese aufregende Entdeckung war nur der Anfang. Nachfolgende Arbeiten zeigten, dass nur ein winziges Fragment des scAb, eine einzelne variable Domäne, erforderlich ist, um ein Antigen zu erkennen. Dieses Fragment wiegt nur 12-15 kDa, daher der Name „Nanokörper“.
Im Gegensatz dazu bestehen menschliche Antikörper aus zwei identischen Polypeptiden der schweren Kette und zwei identischen Polypeptiden der leichten Kette. Diese Proteine sind groß und haben ein Molekulargewicht von etwa 150 kDa. Im Gegensatz zu den kameliden scAbs erstreckt sich die Antigenbindungsstelle menschlicher Antikörper sowohl auf die schwere als auch auf die leichte Kette (bzw. auf die variablen Domänen dieser Ketten), was bedeutet, dass alle Ketten benötigt werden, um ein Antigen zu erkennen.
Vorteile der Nanokörper
Da menschliche Antikörper groß sind, haben sie oft Schwierigkeiten, kleine Bindungsstellen auf Viren, bestimmten Zellen und Zielen tief im Tumorgewebe zu erreichen. Die kleinen Nanokörper können jedoch enge Räume durchqueren und könnten für therapeutische Entwickler eine attraktive Alternative zu menschlichen Antikörpern darstellen. Darüber hinaus ist die Bindungsdomäne von Nanokörpern lang, wodurch eine „fingerartige“ Struktur entsteht, die die Fähigkeit der Nanokörper, ihre Ziele zu erreichen, verbessert.
Ein großer Vorteil von Nanokörpern im Vergleich zu herkömmlichen menschlichen Antikörpern ist ihre leichte Herstellbarkeit. Der relativ einfache Prozess beginnt mit der Immunisierung eines Kameliden mit dem gewünschten Antigen. Das Immunsystem des Kameliden produziert einen scAb, der das Antigen erkennt. Anschließend wird dem Kameliden (das ansonsten unverletzt bleibt) eine Blutprobe entnommen, aus der die mRNA für das scAb extrahiert wird.
Aus der mRNA werden dann die Gene für die variable Antigenbindungsdomäne, also den Nanokörper, amplifiziert. Große Mengen des endgültigen Nanokörpers können dann in Mikroorganismen, typischerweise Escherichia coli, kostengünstig hergestellt werden.
Neuere Methoden nehmen Tiere vollständig aus der Gleichung heraus, indem sie Antigene gegen eine vorproduzierte Bibliothek von Nanokörpern testen. Twist Bioscience bietet über seine Abteilung Twist BioPharma verschiedene Arten von Nanokörper-Bibliotheken in einem Lama-scAb-Rahmen oder teilweise humanisierten scAb-Rahmen an. Milliarden von Nanokörpersequenzen können auf einmal getestet werden, was die Entdeckung und Entwicklung von Antikörpern extrem schnell und relativ kostengünstig macht.
Anwendungen von Nanokörpern
Ursprünglich wurden Nanokörper nur oder hauptsächlich für Forschungszwecke verwendet. Die Erforschung der Verwendung von Nanokörpern als Therapeutikum hat jedoch in den letzten zehn Jahren drastisch zugenommen. Im Februar 2019 wurde ein bedeutender Fortschritt erzielt, als das erste Nanokörper-Therapeutikum von der FDA zugelassen wurde.
Das Medikament namens Cablivi wurde von Ablynx für die Behandlung der erworbenen thrombotischen thrombozytopenischen Purpura entwickelt. Cablivi wirkt als Anti-von-Williebrand-Faktor und verhindert, dass Blutplättchen um Organe herum aggregieren.
Nanokörper für verschiedene Erkrankungen befinden sich in der klinischen Prüfung. So werden beispielsweise Nanokörper zur Behandlung von Schuppenflechte, rheumatoider Arthritis und Virusinfektionen untersucht.
Nanokörper können nicht nur als Einzeltherapie eingesetzt werden, sondern auch zu Kombinationstherapien beitragen. Interessant sind die klinischen Studien, in denen die Kombination von Nanokörpern und chimären Antigenrezeptor (CAR)-T-Zell-Therapien bei Krebs untersucht wird.
CAR-T-Zellen sind gentechnisch so verändert, dass sie Antigene auf der Oberfläche von Tumoren erkennen und angreifen. Bislang sind CAR-T-Zell-Therapien sehr vielversprechende Behandlungen für Blutkrebs, der auf herkömmliche Behandlungen nicht anspricht. Bei soliden Tumoren waren CAR T-Zell-Therapien jedoch noch nicht erfolgreich.
Um solide Tumoren zu bekämpfen, müssen CAR T-Zellen möglicherweise alternative Ziele anvisieren. Zu den üblichen Zielen gehören krebsspezifische Antigene, die sich als schwer zu finden erweisen, und krebsassoziierte Antigene, die zwar leichter zu finden, aber schwieriger sicher zu bekämpfen sind, da sie auch auf gesunden Zellen vorkommen.
Diese Ziele stellen noch eine weitere Schwierigkeit dar. Sie werden in der Regel von CAR-T-Zellen angegriffen, die eine Antigenerkennungsdomäne enthalten, die von einem menschlichen monoklonalen Antikörper stammt. Humane Antikörper können jedoch Immunogenität verursachen, was zu Nebenwirkungen und einer Verringerung der Wirksamkeit von CAR-T-Zellen führt.
Welche alternativen Ziele könnten geeignet sein? Es gibt zahlreiche Möglichkeiten in der extrazellulären Matrix, einem Netz von Proteinen, das solide Tumore abschirmt und immunsuppressive Moleküle beherbergt. Die Idee, Ziele in der extrazellulären Matrix anzugreifen, gefiel den Wissenschaftlern am Boston Children’s Hospital. Sie beschlossen schließlich, CAR-T-Zellen mit Antigenerkennungsdomänen zu entwickeln, die von Nanokörpern abgeleitet sind.
Anhand von Krebsmausmodellen konnten die Wissenschaftler zeigen, dass CAR-T-Zellen auf der Grundlage von Nanokörpern nur schwach immunogen und in der Lage sind, spezifische Antigene in der Mikroumgebung des Tumors zu erkennen. Zur Konstruktion dieser CAR-T-Zellen verwendeten die Wissenschaftler die Gibson-Assembly-Methode, eine Technik, mit der mehrere DNA-Fragmente kombiniert und geklont werden können.
CAR-T-Zellen-Nanokörper-Konstrukte sind in der Lage, tumorversorgende Blutgefäße und tumorschützende Elemente der extrazellulären Matrix zu schädigen. Die Schädigung der Mikroumgebung des Tumors verlangsamt das Wachstum erheblich und ermöglicht anderen Behandlungen, wie der Chemotherapie, den Zugang zum Inneren des Tumors.
Probleme bei der Entwicklung von Nanokörpern
Nach der Entdeckung von Nanokörpern im Jahr 1989 dauerte es 30 Jahre, bis ein Nanokörper-Therapeutikum auf den Markt kam. Die ersten 10 Jahre konzentrierten sich auf die Erforschung der Struktur, Zusammensetzung und Eigenschaften von Nanokörpern. Kurz nach der 10-Jahres-Marke, im Jahr 2001, versuchte die Vrije Universiteit Brussel, Nanokörper zu vermarkten, und es wurden mehrere Patente in ihrem Namen erteilt. Diese Patente wurden später an das Vlaams Interuniversitair Instituut voor Biotechnologie (VIB) und 2002 an das vom VIB gegründete Unternehmen Ablynx weitergegeben.
Es ist wahrscheinlich, dass die Beschränkungen des geistigen Eigentums in Bezug auf die stoffliche Zusammensetzung von Nanokörpern zu der langen Verzögerung zwischen der Entdeckung von Nanokörpern und der ersten Zulassung eines Medikaments auf Nanokörperbasis beigetragen haben. Die wichtigsten Patentansprüche auf dieses Biomolekül liefen jedoch 2014 in Europa und 2017 in Amerika aus, was es Ablynx ermöglichte, seine Zusammenarbeit mit einigen der größten Pharmaunternehmen der Welt, darunter Merck & Co, Boehringer Ingelheim und Sanofi, erheblich auszuweiten.
Diese Kooperationen haben zu einer Flut von klinischen Studien mit Nanokörpern und der lang erwarteten Zulassung von Cablivi geführt. Darüber hinaus hat die Verringerung der geistigen Eigentumsschranken im Zusammenhang mit der Zusammensetzung von Nanokörpern dazu geführt, dass noch mehr Unternehmen Interesse an der weiteren Vermarktung dieser Supermoleküle zeigen.
Wie alle Therapien haben auch Nanokörper Nachteile. Ihre geringe Größe führt zu einer schnellen Ausscheidung über die Nieren, was ihre Halbwertszeit verkürzt. Um sicherzustellen, dass eine ausreichende Menge an Nanokörpern im Blut vorhanden ist, um die gewünschte Wirkung zu erzielen, ist daher eine häufige Dosierung erforderlich, die zu einer Nierentoxizität führen kann. Es besteht auch ein geringes Risiko, dass Patienten eine Immunreaktion auf therapeutische Nanokörper zeigen, da es sich um ein biologisches Material handelt.
Glücklicherweise können diese Probleme überwunden werden. Die Forschung hat gezeigt, dass die Verbindung von Nanokörpern mit Serumalbumin, einem reichlich im Blut vorkommenden Transportprotein, die Halbwertszeit von Nanokörpern erheblich verlängert, so dass sie länger und in größeren Mengen im Blut verbleiben können. Die Immunogenität von Nanokörpern kann durch Humanisierung verringert werden, ein Verfahren, bei dem einige der Nanokörper-Proteinsequenzen modifiziert werden, um ihre Ähnlichkeit mit menschlichen Antikörpern zu erhöhen und so das Risiko einer negativen Immunreaktion zu verringern.
Während es bei der Kommerzialisierung von Nanokörpern als Therapeutika zu Verzögerungen kam, ist jetzt, da mehrere Unternehmen in diese wunderbaren und einzigartigen Moleküle investieren können, zu erwarten, dass es bald zu einer explosionsartigen Zunahme von Nanokörpern kommen wird, die als Therapeutika für eine Vielzahl von Krankheiten, von Virusinfektionen bis hin zu Krebs, eingesetzt werden. Kameliden-Nanokörper haben nicht nur ihren Wert bewiesen, sondern könnten auch die Landschaft der Antikörpertherapie verändern und eine neue Generation von Therapeutika einläuten.