Humanisierung von mAks durch molekulare Simulierung

Seit über 30 Jahren verwendet man monoklonale Antikörper (mAks) in der Humantherapie. Jedoch rufen längerfristiger Therapien mit Antikörpern, die aus nicht humanen Quellen stammen, in den Patienten immunologischen Nebenwirkungen hervor, die sich gegen das Medikament richten und zusätzlich dessen Halbwertszeit im Serum reduzieren. Da die Etablierung von vollständig humanen mAks ist vielen Forschergruppen nur begrenzt zugänglich ist, werden hauptsächlich Maus-mAks generiert, die in präklinischen Versuchen oftmals auch vielversprechende Ergebnisse zeigen. Humanisierungsansätze versuchen die Bindungsregionen von schwerer und leichter Kette auf humane Rahmengerüste aufzusetzen. An der Verbesserung der Methodik wird aber immer noch gearbeitet, besonders da sehr viele Antikörpervarianten im Labor hergestellt werden müssen, bevor ein Antikörper mit der gleichen Funktionalität wie der Originalantikörper gefunden wird. Die derzeitigen Humanisierungsansätze basieren auf empirischen Informationen aus bestehenden Molekülen und strukturellen Modellen auf. Dabei wird der Antikörper an jede Kritische Stelle modifiziert und eine entsprechende Anzahl von Antikörpervarianten rekombinant hergestellt. Erst die nachfolgenden immunologischen Tests zeigen die Spezifität und Affinität der neu generierten Antikörper und so wird eine Variante ausgewählt oder ein neues Set an Varianten generiert und getestet. Im vorliegenden Projektantrag beschreiben wir einen Ansatz in dem wir biotechnologische und bioinformatische Methoden kombinieren, um die Vorhersagbarkeit der Eigenschaften der neu gebildeten Antikörper zu erhöhen. Dazu werden zunächst Homologiemodelle erstellt, die anschließend einer molekularen dynamischen Simulierung unterzogen werden. Mittels neue effiziente Simulationstechniken können humanisierte Antikörpervarianten mit ähnlicher atomarer Struktur und Dynamik wie der originale maus Antikörper bereits "in-silico" selektiert werden. Großflächige Versuchsreihen können damit ersetzt werden durch einen rationalen Entwurf von Antikörpern, damit sich die Wahrscheinlichkeit für die optimale Bindung an das Zielprotein erhöht, und der Aufwand im Labor verringert wird. Das Verfahren wird zuerst anhand von einem bereits Humanisierten Antikörper entwickelt und dann auf dem Antikörper Ab2/3H6 angewendet, mit dem bereits viel Erfahrung gesammelt wurde im Labor der Antragsteller. Dieser Projektansatz eröffnet auch anderen naturwissenschaftlichen Fächern neue Optionen. In der Medizin können neue, artifizielle Proteine mit verbesserten Eigenschaften generiert werden; die Proteinchemie erhält neue Ansätze zur Strukturvorhersage und die Zellbiologie und physiologie gewinnt neue Informationen über die Expressionsmaschinerie durch die Herstellung von Klonen, die ähnliche aber doch unterschiedliche Proteine sekretieren.

Proteine, die in der Humanmedizin angewendet werden, müssen strengen Auflagen entsprechen, um die Sicherheit der Patienten zu gewährleisten. Dazu gehören die Reinheit des Produktes und die Abwesenheit von toxischen Nebenprodukten, die durch den Produktionsprozess verursacht werden. Zusätzlich kann auch das Wirkstoffprotein Nebenwirkungen verursachen, wenn es nicht genauso aussieht wie das Protein, das vom Körper natürlicherweise produziert wird. Solche Nebenwirkungen sind oft Entzündungsreaktionen die durch das Immunsystem verursacht werden, und zusätzlich das Produkt auch schneller aus dem Körper verschwinden lassen. Im Fall von monoklonalen Antikörpern kann das passieren, da diese eine große Gruppe verschiedener Proteine darstellen und ein einzelner Antikörper oft nicht in Menschen entwickelt wurde sondern in Labortieren und dann in empirischen Schritten, den humanen Antikörpern angeglichen wird. Diesen Prozess bezeichnet man als Humanisierung von Antikörpern, wobei Erfahrungswerte aus der Literatur verwendet werden, um einerseits die Wirksamkeit zu erhalten, andererseits die besagten potentiellen Nebenreaktionen zu erniedrigen. In diesem Projekt haben wir anhand eines konkreten Beispiels (Ab2/3H6 ist ein in Mäusen entwickelter monoklonaler Antikörper) einen Humanisierungsprozess durchgeführt, dafür aber nicht nur empirisches Wissen aus der Literatur als Grundlage benützt, sondern in enger Zusammenarbeit mit Bioinformatikern Prozesse entwickelt, die eine Vorhersage über das neu generierte Produkt erlauben. Die Humanisierung von Antikörpern stellt im Kontext mit dem zielgerichteten Design von Wirkstoffen eine immense Herausforderung dar. Die Superhumanisierung beschreibt den direkten Transfer der komplementären Bindungsregionen eines Antikörpers auf das Rahmengerüst humaner ungereifter Antikörper. Jedoch verlieren Antikörper, die auf diese Weise humanisiert wurden oft ihr Bindungsaffinität. Mit Hilfe der molekularen dynamischen (MD) Simulierung haben wir einen neuen Ansatz entwickelt um vielversprechende Rückmutationen an unserem Modellantikörper vorherzusagen. Dabei werden einzelnen Bausteine im Rahmengerüst des Antikörpers definiert, die einen positiven Einfluss auf die Struktur der Bindungsregion haben könnten. Die Simulation der Antikörpervarianten zeigt dann die Strukturähnlichkeit und vergleicht sie mit sogenannten Bindungstaschen der Wildtypvarianten. Um diese Ergebnisse aus der Bioinformatik zu bestätigen wurden auch neue Methoden im Labor etabliert, die die Bindungsaffinität beurteilen. Dadurch können aufwendige Strukturanalysen vermieden werden.