II. État de l’art sur l’amélioration des vecteurs
II.1. Méthodes d’optimisation des anticorps monoclonaux
II.1.1. Conception de fragments de mAb par voie biologique
Comme il a été démontré précédemment, le principal défaut des anticorps monoclonaux est notamment dû à leur taille conséquente qui limite la pénétration intra
-tumorale. De plus, leur longévité dans le sérum n’est pas souhaitable dans les cas de radioimmunothérapie ou d’imagerie car il provoquerait une irradiation des tissus seins ainsi qu’une mauvaise résolution. Les nombreux progrès dans le domaine de l’ADN recombinant ont permis de contourner ces problèmes en produisant des fragments d’anticorps.
Les premiers fragments étudiés ont été les scFv (single chain Fragment variable) qui sont composés du domaine variable de la chaîne lourde et légère reliés entre eux par un bras espaceur flexible. Ces fragments, bien que présentés de façon monovalente, ont la
particularité de garder les propriétés de reconnaissance de l’anticorps entier en termes de
spécificité et d’affinité.77
Leur taille réduite permet ainsi une meilleure biodisponibilité au niveau des tumeurs comparée aux IgG entiers. Cependant, ce bénéfice est contrebalancé par une durée de vie trop courte dans le sérum (2 h) et, par conséquent, la disponibilité de ces
fragments pour atteindre leur cible (antigènes…) est nettement diminuée. Ces fragments ont des propriétés idéales pour l’imagerie mais sont par contre inefficaces pour la thérapie.
Afin d’augmenter la durée de vie de ces fragments dans le sérum, plusieurs stratégies
alternatives ont été menées, la plus prometteuse étant la conjugaison d’un polymère soluble comme les PEG ou l’albumine. La conjugaison de ces fragments au PEG permet d’augmenter
considérablement la taille et ainsi diminuer la clairance dans le sang (t1/2=14 jours). 78 Cette modification confère au fragment une meilleure stabilité et une immunogénicité moindre mais
peut parfois altérer l’affinité du fragment à son antigène. D’autres études ont montré que le
remplacement du PEG par de l’albumine du sérum humain permettait d’augmenter le temps
de demi-vie sans affecter l’activité du fragment.79
77
Bird, R. E.; Hardman, K. D.; Jacobson, J. W.; Johnson, S.; Kaufman, B. M.; Lee, S. M.; Lee, T.; Pope, S. H.; Riordan, G. S.; Whitlow, M., Single-Chain Antigen-Binding Proteins. Science 1988, 242 (4877), 423-426.
78
Nelson, A. L.; Reichert, J. M., Development trends for therapeutic antibody fragments. Nat Biotechnol 2009, 27 (4), 331-337.
79
Huhalov, A.; Chester, K. A., Engineered single chain antibody fragments for radioimmunotherapy. Q J Nucl Med Mol Im 2004, 48 (4), 279-288.
27
Figure 13 : Comparaison des différents anticorps et leur temps de ½ vie respectif 81
D’autres paramètres importants doivent aussi être pris en compte comme la valence. En effet les anticorps sont des systèmes bivalents ce qui a pour effet d’augmenter l’affinité
envers sa cible. La conception de fragments multivalents (Diabody, Triabody, Tetrabody) 80
ont montré une meilleure affinité pour l’antigène, une meilleure rétention aux niveaux des
tumeurs ainsi qu’une durée de vie plus longue due à l’augmentation de la taille (Figure 13).81
De manière générale, la multimérisation est un bon compromis entre le temps de vie dans le sérum, la pénétration tumorale et l’affinité pour l’épitope (Figure 14).
Figure 14 : Biodistribution de différents formats de mAb 81
Le développement de fragments d’anticorps a permis de concevoir des fragments, dits
bispécifiques pouvant reconnaître deux antigènes spécifiques différents. De nombreux fragments recombinés comme les minibodies 82 ou les diabody bispécifiques 83 ont été
80
Todorovska, A.; Roovers, R. C.; Dolezal, O.; Kortt, A. A.; Hoogenboom, H. R.; Hudson, P. J., Design and application of diabodies, triabodies and tetrabodies for cancer targeting. J Immunol Methods 2001, 248 (1-2), 47-66.
81
Holliger, P.; Hudson, P. J., Engineered antibody fragments and the rise of single domains. Nat Biotechnol
2005, 23 (9), 1126-1136. 82
Hu, S. Z.; Shivery, L.; Raubitschek, A.; Sherman, M.; Williams, L. E.; Wong, J. Y. C.; Shively, J. E.; Wu, A. M., Minibody: A novel engineered anti-carcinoembryonic antigen antibody fragment (single-chain Fv-C(H)3) which exhibits rapid, high-level targeting of xenografts. Cancer Res 1996, 56 (13), 3055-3061.
83
Holliger, P.; Prospero, T.; Winter, G., Diabodies - small bivalent and bispecific antibody fragments. Proc Natl Acad Sci USA 1993, 90 (14), 6444-6448.
28
développés et utilisés selon différentes stratégies.84 La voie la plus intéressante est de concevoir un fragment pouvant reconnaître simultanément un récepteur tumoral et une cellule
immunitaire dans le but d’activer la lyse cellulaire. Les minibodies ont été créés selon ce
concept, ces derniers sont des composés bivalents (2 scFv) comportant une partie de la région
Fc d’un mAb pouvant activer le système immunitaire. De nombreux minibodies sont
actuellement en tests cliniques et représentent un bon compromis entre un anticorps entier et un fragment de petite taille.
Figure 15 : Comparaison d’imagerie TEP de souris présentant un cancer du colon après 18h d’infusion de
radiotraceur 124I conjugué au Diabody, minibody ou scFV-Fc 81
En ce qui concerne leur utilisation en tant que vecteur ciblé pour la thérapie, les
fragments d’anticorps ont été conjugués avec diverses immunotoxines ou cytokines 85
mais leur temps de vie dans le sérum étant relativement court, cette stratégie est actuellement peu exploitée. Par contre, dans le domaine de l’imagerie, ces fragments ont eu un certain succès clinique grâce à leur rapide clairance dans le sang ainsi qu’une biodisponibilité accrue. Les
fragments multivalents comme les diabodies ou les minibodies conjugués aux composés radioactifs (124I, 64Cu) ont montré de très bonnes résolutions en imagerie PET (Figure 15).86
II.1.2. Conception de mimes de CDR par voie chimique
Afin de moduler les différentes propriétés des anticorps monoclonaux, des approches entièrement synthétiques ont été envisagées comme alternatives aux méthodes biologiques.
Bien qu’intéressante, il existe très peu d’exemples dans la littérature qui utilisent cette voie
chimique pour concevoir des mimes d’anticorps. Comme il a été mentionné précédemment,
l’interaction antigène-anticorps se fait via des séquences précises du domaine variable appelé
CDR (Complementary Determining Region). Les études menées par Park et al. se sont
portées sur la conception de peptides cycliques pouvant mimer l’une des boucles CDR d’un
anticorps (Herceptin) ciblant les récepteurs HER-2.87 En se basant sur la séquence et la
84
Hollander, N., Bispecific antibodies for cancer therapy. Immunotherapy 2009, 1 (2), 211-222.
85
Kaspar, M.; Trachsel, E.; Neri, D., The antibody-mediated targeted delivery of interleukin-15 and GM-CSF to the tumor neovasculature inhibits tumor growth and metastasis. Cancer Res 2007, 67 (10), 4940-8.
86
Olafsen, T.; Wu, A. M., Antibody Vectors for Imaging. Semin Nucl Med 2010, 40 (3), 167-181.
87
Park, B. W.; Zhang, H. T.; Wu, C. J.; Berezov, A.; Zhang, X.; Dua, R.; Wang, Q.; Kao, G.; O'Rourke, D. M.; Greene, M. I., et al., Rationally designed anti-HER2/neu peptide mimetic disables p185(HER2/neu) tyrosine kinases in vitro and in vivo. Nat Biotechnol 2000, 18 (2), 194-198.
29
structure de la boucle CDRH3, différents peptides ont été synthétisés et un de ces peptides a
montré des activités similaires à l’anticorps d’origine. Une autre étude suivant la même
approche s’est portée sur un anticorps anti-TNF Dans cette étude, Feng et al ont utilisé
l’analyse cristallographique du complexe mAb-TNF et des techniques de modélisation pour
concevoir un peptide pouvant mimer l’activité de l’anticorps. Ce peptide présentant une
séquence similaire à la boucle CDRH2 n’a pas montré d’aussi bonnes activités in vitro que
l’anticorps de référence. Ces stratégies de mimes d’anticorps sont basées sur la structure
d’une seule boucle hypervariable parmi les six présentes sur le domaine variable de
l’anticorps. L’interaction antigène-anticorps se fait via plusieurs boucles CDR, généralement
3 ou 4. Concevoir un mime d’anticorps en tenant compte des résidus des différentes boucles
permettrait ainsi d’augmenter l’affinité envers l’antigène. Casset et al. ont conçu un peptide
cyclique formé par la juxtaposition de résidu provenant des 5 boucles CDR d’un anticorps
anti-CD4.89 Ce peptide de 27 résidus possède une affinité pour sa cible (CD4) supérieure à
l’anticorps d’origine (0.λ nM). Malheureusement, les tests in vitro n’ont pas été concluants et
ont montré une faible activité biologique.
Dernièrement, Timmerman et al. ont élaboré une nouvelle approche plus complexe permettant de concevoir des mimes de mAb possédant une activité anticancéreuse in vivo.90
En s’appuyant sur une stratégie combinatoire, différents fragments peptidiques provenant de
différentes boucles CDR sont disposés puis cyclisés sur un « template » (Figure 16). Plusieurs macromolécules comportant de une à trois boucles de CDR différentes ont pu être synthétisées puis testées in vitro ainsi qu’in vivo. Malgré des constantes d’affinité
relativement faibles comparées au mAb (KD de l’ordre du µM) certains de ces assemblages peptidiques ont présenté des activités anti-tumorales in vivo.
Figure 16 : Structure d’un mAb et des peptidomimetiques dérivés de CDR90
88
Feng, J. N.; Li, Y.; Zhang, W.; Shen, B. F., Rational design of potent mimic peptide derived from monoclonal antibody: antibody mimic design. Immunol Lett 2005, 98 (2), 311-316.
89
Casset, F.; Roux, F.; Mouchet, P.; Bes, C.; Chardes, T.; Granier, C.; Mani, J. C.; Pugniere, M.; Laune, D.; Pau, B., et al., A peptide mimetic of an anti-CD4 monoclonal antibody by rational design. Biochem Biophys Res Commun 2003, 307 (1), 198-205.
90
Timmerman, P.; Barderas, R.; Desmet, J.; Altschuh, D.; Shochat, S.; Hollestelle, M. J.; Hoppener, J. W. M.; Monasterio, A.; Casal, J. I.; Meloen, R. H., A Combinatorial Approach for the Design of Complementarity-determining Region-derived Peptidomimetics with in Vitro Anti-tumoral Activity. J Biol Chem 2009, 284 (49), 34126-34134.
30