Gli anticorpi a singolo dominio, o nano-corpi, sono stati recentemente spinti sotto i riflettori come potenziale trattamento per la COVID-19. Infatti, un trattamento basato su nano-corpi per la COVID-19 sviluppato dal Beroni Group, un’azienda biotecnologica australiana, è attualmente in fase di test preclinici. Anche se i nano-corpi stanno solo iniziando a realizzare il loro potenziale terapeutico, sono stati studiati per decenni.
Nel 1989, due studenti laureati alla Vrije Universiteit Brussel scoprirono serendipitosamente una proprietà unica dei camelidi (cammelli, lama e alpaca tra gli altri). Analizzando il siero di sangue di cammello congelato, gli studenti hanno scoperto che i camelidi non solo producono anticorpi convenzionali, ma anche un unico insieme secondario di anticorpi a catena singola (scAbs) composto da due polipeptidi identici a catena pesante, ognuno dei quali incorpora due domini costanti contigui, una regione cerniera e un dominio variabile. (I domini costanti di ogni catena pesante corrono paralleli; oltre la regione della cerniera, i domini variabili divergono come le braccia della lettera “Y”). Ognuno dei domini variabili della scAb serve come modulo di legame all’antigene.
Questa eccitante scoperta era solo l’inizio. Il lavoro successivo ha rivelato che solo un piccolo frammento della scAb, un singolo dominio variabile, è necessario per riconoscere un antigene. Questo frammento pesa solo 12-15 kDa, da cui il nome “nanobody”.”
Al contrario, gli anticorpi umani sono composti da due polipeptidi identici a catena pesante e due a catena leggera. Queste proteine sono grandi, con un peso molecolare di circa 150 kDa. A differenza degli scAb dei camelidi, il sito di legame dell’antigene degli anticorpi umani si estende su entrambe le catene pesanti e leggere (o piuttosto sui domini variabili di queste catene), il che significa che tutte le catene sono necessarie per rilevare un antigene.
I vantaggi dei nanocorpi
Come gli anticorpi umani sono grandi, spesso hanno difficoltà ad accedere ai piccoli spazi di legame sui virus, alcune cellule e obiettivi in profondità nel tessuto tumorale. Tuttavia, i piccoli nano-corpi possono navigare in spazi ristretti e possono essere un’alternativa attraente agli anticorpi umani per gli sviluppatori terapeutici. Inoltre, il dominio di legame dei nano-corpi è lungo, producendo una struttura “a dito” che aumenta la capacità dei nano-corpi di raggiungere i loro obiettivi.
Un enorme vantaggio dei nano-corpi, rispetto ai convenzionali anticorpi umani, è la loro facile producibilità. Il processo relativamente semplice inizia con l’immunizzazione di un camelide con l’antigene desiderato. Il sistema immunitario del cammello produce uno scAb che riconosce l’antigene. Un campione di sangue viene successivamente prelevato dal cammello (lasciato altrimenti illeso), e l’mRNA per lo scAb viene estratto dal campione.
I geni per il dominio variabile che lega l’antigene, cioè il nanobody, vengono poi amplificati dall’mRNA. Grandi quantità del nano-corpo finale possono quindi essere prodotte all’interno di microrganismi, tipicamente Escherichia coli, a basso costo.
Metodi più recenti stanno eliminando completamente gli animali dall’equazione, testando gli antigeni contro una libreria pre-prodotta di nano-corpi. Twist Bioscience, attraverso la sua divisione Twist BioPharma, offre diversi tipi di librerie di nano-corpi all’interno di una struttura di scAb di lama o di scAb parzialmente umanizzati. Miliardi di sequenze di nanobody possono essere testate in una sola volta, rendendo la scoperta e lo sviluppo di anticorpi estremamente veloce e relativamente poco costoso.
Applicazioni dei nanobody
In origine, i nanobody erano usati solo o principalmente per scopi di ricerca. Tuttavia, l’esplorazione dell’uso di nanobodies come terapeutico è aumentata drasticamente nell’ultimo decennio. Nel febbraio 2019, un progresso significativo è stato fatto quando il primo nanobody terapeutico è stato approvato dalla FDA.
Il farmaco, chiamato Cablivi, è stato sviluppato da Ablynx per il trattamento della porpora trombotica trombocitopenica acquisita. Cablivi agisce come un fattore anti-von Williebrand e impedisce alle piastrine di aggregarsi intorno agli organi.
Nano-corpi per varie condizioni sono in prove cliniche. Per esempio, i nano-corpi vengono valutati come trattamenti per la psoriasi, l’artrite reumatoide e le infezioni virali.
Oltre a costituire terapie individuali, i nano-corpi possono contribuire alle terapie combinate. Di interesse sono gli studi clinici che esplorano la combinazione di nano-corpi e terapie con cellule T chimeriche (CAR) per il cancro.
Le cellule T CAR sono geneticamente progettate per riconoscere e colpire gli antigeni sulla superficie dei tumori. Finora, le terapie con cellule T CAR sono state trattamenti molto promettenti per i tumori del sangue che non rispondono ai trattamenti più convenzionali. Tuttavia, le terapie con cellule T CAR non hanno ancora avuto successo contro i tumori solidi.
Per affrontare i tumori solidi, le cellule T CAR potrebbero aver bisogno di concentrarsi su obiettivi alternativi. I bersagli abituali includono antigeni specifici del cancro, che si stanno dimostrando difficili da trovare, e antigeni associati al cancro, che sono più facili da trovare ma sono più difficili da coinvolgere in modo sicuro, poiché appaiono anche su cellule sane.
Questi obiettivi pongono ancora un’altra difficoltà. Di solito sono presi di mira da cellule T CAR che incorporano un dominio di riconoscimento dell’antigene derivato da un anticorpo monoclonale umano. Tuttavia, gli anticorpi umani possono causare immunogenicità portando a effetti collaterali e a una riduzione dell’efficacia delle cellule T CAR.
Quali obiettivi alternativi potrebbero essere adatti? Le possibilità abbondano nella matrice extracellulare, una rete di proteine che protegge i tumori solidi e ospita molecole immunosoppressive. L’idea di colpire obiettivi nella matrice extracellulare ha fatto appello agli scienziati del Boston Children’s Hospital. Alla fine, questi scienziati hanno deciso di progettare cellule T CAR con domini di riconoscimento dell’antigene derivati da nano-corpi.
Utilizzando modelli murini di cancro, gli scienziati hanno dimostrato che le cellule T CAR basate su nano-corpi sono solo debolmente immunogeniche e capaci di riconoscere antigeni specifici nel microambiente tumorale. Per costruire queste cellule CAR T, gli scienziati hanno usato il metodo Gibson Assembly, una tecnica che permette di combinare e clonare più frammenti di DNA.
I costrutti di cellule CAR T-nanobody sono capaci di danneggiare i vasi sanguigni che nutrono il tumore e gli elementi della matrice extracellulare che proteggono il tumore. Il danno al microambiente tumorale rallenta significativamente la crescita e permette ad altri trattamenti, come la chemioterapia, di accedere all’interno del tumore.
Problemi di sviluppo dei nanocorpi
Ci sono voluti 30 anni dopo la scoperta dei nanocorpi nel 1989 perché un nanovirus terapeutico raggiungesse il mercato. I primi 10 anni si sono concentrati sulla ricerca sulla struttura, la composizione e le proprietà dei nano-corpi. Subito dopo il traguardo dei 10 anni, nel 2001, la Vrije Universiteit Brussel ha tentato di commercializzare i nano-corpi con diversi brevetti rilasciati a suo nome. Questi brevetti sono stati successivamente passati al Vlaams Interuniversitair Instituut voor Biotechnologie (VIB) e poi a una società fondata dal VIB, Ablynx, nel 2002.
È probabile che le limitazioni della proprietà intellettuale sulla composizione della materia dei nano-corpi abbiano contribuito al lungo ritardo tra la scoperta dei nano-corpi e la prima approvazione di un farmaco basato sui nano-corpi. Tuttavia, le principali rivendicazioni di brevetto su questa biomolecola sono scadute nel 2014 in Europa e nel 2017 in America, permettendo ad Ablynx di espandere significativamente la sua collaborazione con alcune delle più grandi aziende farmaceutiche del mondo, tra cui Merck & Co., Boehringer Ingelheim e Sanofi.
Queste collaborazioni hanno portato a una raffica di studi clinici registrati che coinvolgono i nano-corpi e alla tanto attesa approvazione di Cablivi. Inoltre, la diminuzione delle barriere di proprietà intellettuale associate alla composizione della materia dei nano-corpi ha permesso a sempre più aziende di mostrare interesse nell’ulteriore commercializzazione di queste super-molecole.
Come tutte le terapie, i nano-corpi hanno degli svantaggi. Le loro piccole dimensioni comportano una rapida eliminazione attraverso i reni, riducendo la loro emivita. Pertanto, per garantire che un volume abbastanza alto di nano-corpi sia presente nel sangue per ottenere l’effetto desiderato, è necessario un dosaggio frequente, che può indurre tossicità renale. C’è anche un piccolo rischio che i pazienti possano avere una risposta immunitaria ai nano-corpi terapeutici in quanto sono un materiale biologico.
Fortunatamente, questi problemi possono essere superati. La ricerca ha dimostrato che fondere i nano-corpi con l’albumina del siero, una proteina di trasporto abbondante che si trova nel sangue, aumenta significativamente l’emivita dei nano-corpi, permettendo loro di rimanere nel sangue più a lungo e in quantità maggiori. L’immunogenicità dei nano-corpi può essere ridotta tramite l’umanizzazione, un processo che modifica alcune delle sequenze proteiche dei nano-corpi per aumentare la loro somiglianza con gli anticorpi umani, riducendo il rischio di una reazione immunitaria negativa.
Mentre ci sono stati ritardi nella commercializzazione dei nano-corpi come terapia, ora che più aziende sono in grado di investire in queste meravigliose e uniche molecole, si prevede che ci sarà presto un’esplosione di nano-corpi usati come terapia per una moltitudine di malattie, dalle infezioni virali al cancro. I nano-corpi di camelidi non solo hanno dimostrato il loro valore, ma potrebbero anche cambiare il panorama della terapia con anticorpi e salutare una nuova generazione di terapie.