Integratie van een cyclopropeen derivaat van lysine in antilichamen kan de sitespecifieke, snelle en efficiënte koppeling van tetrazine-bevattende moleculen voor het genereren van geconjugeerde antilichaam-drug.
Antilichaam-drug geconjugeerde (ADCs) tegenwoordig wordt gebruikt in de klinische praktijk zijn mengsels van antilichamenmolecules gekoppeld aan een wisselend aantal toxines op verschillende posities. Preklinische studies hebben aangetoond dat het therapeutische index van deze traditionele ADCs kan worden verbeterd door de sitespecifieke koppeling van toxines. Huidige benaderingen van homogene ADCs produceren echter verschillende beperkingen, zoals lage eiwit expressie en langzame reactiekinetiek. In dit protocol beschrijven we hoe u een expressie systeem een cyclopropeen derivaat van lysine (CypK) geïntegreerd antilichamen met behulp van genetische code uitbreiding. Dit minimale bioorthogonal handvat kunt snelle vervoeging van tetrazine derivaten via een Diels-Alder-cycloadditie van inverse-vraag. Het systeem van de expressie hier gemeld kan de facile productie en zuivering van trastuzumab rekening houdend met CypK in elk van de zware kettingen. Wij leggen uit hoe het antilichaam de toxine monomethylether auristatin E koppelen en karakteriseren van het immunoconjugate door de hydrofobe interactie chromatografie en massaspectrometrie. Ten slotte, beschrijven we testen om te beoordelen van de stabiliteit in menselijk serum van de koppeling van de dihydropyridazine die voortvloeien uit de vervoeging en voor het testen van de selectieve cytotoxiciteit van de ADC voor borstkankercellen met hoge niveaus van de HER2 receptor.
Geconjugeerde (ADCs) van de antilichaam-drug combineren de selectiviteit van het biotherapeutics en de potentie van kleine cytotoxische moleculen. Meeste ADCs streven naar het verlagen van de bijwerkingen van traditionele chemotherapie richten op geneesmiddelen die van invloed zijn op DNA of microtubuli polymerisatie op kanker cellen1. Eerste generatie ADCs goedgekeurd door de Food and Drug Administration (FDA) is afhankelijk van de wijziging van lysines en cysteines, die mengsels van moleculen die op verschillende posities met verminderde farmacokinetische eigenschappen2gewijzigd genereert. Daarentegen, kan site-specific vervoeging van drugs aan de antilichamen genereren verbindingen met verbeterde therapeutische indeces3,4. Die inspelen op de uitdaging van de productie van homogene ADCs, verschillende selectieve chemische en enzymatische wijzigingen geweest gerapporteerde1,5. Echter kunnen huidige methoden richten op alleen bepaalde positie op het antilichaam, lijden aan laag eiwit expressie, linkers voorzien van lage stabiliteit of traag en lage opbrengst reacties afhankelijk.
Opneming van de niet-canonieke aminozuren (ncAA) door middel van uitbreiding van de genetische code maakt de site-specifieke installatie van een overvloed aan bioorthogonal reactieve groepen in eiwitten, potentieel het overwinnen van de beperkingen van andere methoden die worden gebruikt voor het genereren van ADCs. NcAAs in reactie op een target (stop) codon-codering is afhankelijk van aminoacyl-tRNA synthetase/tRNA paren die loodrecht op de endogene paren die canonieke aminozuren6 nemen. Verschillende ncAAs zijn overgenomen in de antilichamen voor het genereren van ADCs. Maar meest lijdt aan verschillende verplichtingen voor toepassingen in therapeutische drug Woordherkomst en-opbouw. p-acetylphenylalanine (pAcF)7,8 is niet volledig bioorthogonal, vereist lage pH (4.5) en lange reactietijden (> 60 h), terwijl aziden zoals p-azidophenylalanine (pAzF)7,9,10, p-azidomethylphenylalanine (pAMF)11, en een azide derivaat van lysine (AzK)12,13 in de cel14kunnen worden verminderd, en de koper gebruikt voor het katalyseren van Huisgen cycloaddities oxidatieve schade kan veroorzaken 15.
Hoewel alternatieve ncAAs gebaseerd op trans-Cycloocteen (TCO), cyclooctyne (SCO) en bicyclo [6.1.0] none (BCN) onlangs zijn gecodeerd in een antilichaam voor bio-imaging doeleinden, de expressie systeem lijdt aan zeer lage opbrengst (0,5 mg/L)-16. Bovendien, cyclooctenes en cyclooctynes zijn groot en hydrofobe grepen die kunnen het verhogen van de gevoeligheid van de ADC voor aggregatie -ADC laadvermogens zijn traditioneel hydrofobe en de fysisch-chemische eigenschappen van de linker is aangetoond dat ze sterk invloed op de farmacokinetiek en de therapeutische index17. Daarentegen zijn 1,3-disubstitued cyclopropenes kleine reactieve groepen die minimale verandering in de eiwit structuur en physichochemical eigenschappen18moeten veroorzaken. Cyclopropenes reageren selectief en snel met tetrazines via een omgekeerde elektron-vraag Diels-Alder cycloadditie19. In dit protocol maken we gebruik van een derivaat van lysine (CypK, Figuur 1b) lager een methyl-cyclopropeen thats minder beïnvloed door sterische hinder dan grotere gespannen onverzadigde cycli en heeft een constante snelheid reactie in de volgorde van 1.30 M-1s -1 in waterige media18,20.
Onlangs berichtten we hoe CypK geïntegreerd antilichamen voor het genereren van ADCs door dit minimale bioorthogonal handvat met tetrazine-bevattende moleculen21te reageren. Hier beschrijven we de ADC voorbereiding procedure meer in detail met nadruk op de meest uitdagende stappen. De opneming van CypK wordt geleid met behulp van een pyrrolysyl-tRNA synthetase (PylRS) / tRNACUA(PylT) koppelen in reactie op een amber codon geïntroduceerd in de zware keten van antilichaam (HC)22. We gebruiken hier twee plasmiden voorbijgaande transfectie (Figuur 1a), de zware keten van het antilichaam-codering en de andere de lichtketting (LC), zowel die van de cassette PylRS/PylT coderen. Anderzijds kan een stabiele cellijn waarmee hogere antilichaam opbrengsten worden gegenereerd door middel van een meer moeizame procedure21.
De bovengenoemde expressiesystemen kunnen produceren de therapeutische anti-HER2 immunoglobulin 1 (IgG1) met CypK op vergelijkbare niveaus het wild type antilichaam trastuzumab. We kozen de eerste positie van het domein van CH1 op de zware ketting voor het coderen van de ncAA (HC-118TAG). Dit is de meest voorkomende gemodificeerde site in ADCs23 en staat bekend als HC-118 (EU nummering) maar heeft ook aangeduid als HC-121 (de positie van de reeks) en HC-114 (Kabat nummering)24. Aangezien dit standpunt wordt bewaard gedurende alle IgG1s, moeten deze expressiesystemen worden vatbaar voor meest therapeutische antistoffen.
Laten we trastuzumab(CypK)2 kunt gemakkelijk gezuiverd worden door eiwit een gevolgd door snelle proteïne vloeistofchromatografie met een hydrofobe interactie kolom (FPLC-HIC). Vervolgens is het antilichaam covalent gekoppeld binnen 3 uur naar de microtubuli polymerisatie remmer monomethylether auristatin E (MMAE), die wordt gebruikt in de FDA-goedgekeurde ADC Adcetris. Hier gebruiken we een benzyl-tetrazine-derivaat van MMAE (tetrazine-vcMMAE) met een linker bestaande uit een glutarate spacer en een protease-labiele onderdeel van valine-citrulline, gevolgd door een p– aminobenzylalcohol self-immolative eenheid; Deze linker is gekloofd door Cathepsin B in het lysosoom op de internalisering van de ADC resulterend in de spoorloze release van de toxine25. Om aan te tonen de brede opzet van de reactie, dat het antilichaam is ook gekoppeld aan de fluorophore tetramethylrhodamine (TAMRA). Wij leggen uit hoe om te controleren de identiteit van de geconjugeerde door vloeibare chromatografie gekoppeld aan massaspectrometrie (LC-MS) en voor het berekenen van de drug-naar-antilichaam ratio (DAR) met behulp van hogedrukvloeistofchromatografie met een hydrofobe interactie kolom (HPLC-HIC) .
Als onderdeel van de karakterisering van de antilichaam-prestaties beschrijven we hoe te testen van de stabiliteit van de koppeling van de dihydropyridazine in menselijk serum. Deze parameter is gemakkelijker in trastuzumab-TAMRA beoordeeld omdat het door een eenvoudige ELISA kan worden gekwantificeerd en de interpretatie van de resultaten niet wordt bemoeilijkt door de protease labile component van trastuzumab(MMAE)2. Tot slot wordt de selectiviteit en de werkzaamheid van trastuzumab(MMAE)2 beoordeeld door vergelijking van de cytotoxiciteit van de ADC over cellijnen uiting van verschillende niveaus van HER2. Deze bepaling biedt ook een functionele bewijs van de stabiliteit van de ADC wanneer uitgevoerd na het broeden van de immunoconjugate in menselijk serum.
De procedure van de voorbijgaande expressie tot trastuzumab(CypK)2 beschreven in dit protocol is eenvoudig en zorgt voor hoge modulariteit. De opbrengsten die verkregen zijn binnen degene verwacht in een academische instelling27 en stabiele cellijnen kunnen worden gegenereerd om te verder stimuleren de productie opbrengst21. Tijdens de expressie lagere concentraties van CypK dan 5 mM in lagere ncAA opneming resulteren kan, en hogere bedragen kunnen beïnvloeden van celgroei en verlagen van antilichaam opbrengsten. CypK als een vrije aminozuur heeft laag water oplosbaarheid, dus het moet eerst ontbonden op 100 mM in 0,1 M NaOH en vervolgens toegevoegd aan het kweekmedium. Na verdunnen CypK op middellange en voordat u het aan cellen toevoegt, is het essentieel om te neutraliseren het medium met de HCl en filter te steriliseren. Vervolgens met behulp van de transfectie reagentia opgegeven in dit protocol en na de incubatie tijd die door de fabrikant aanbevolen is belangrijk voor een hoge opbrengst-expressie. Voor meer informatie over de voorbijgaande expressie van menselijke antilichamen, wordt de lezer verwezen naar andere gepubliceerde protocollen31,32.
Wanneer het antilichaam wordt gezuiverd, is een hoge overmaat van EiwitA hars vereist zoals aangegeven om ervoor te zorgen volledige antilichaam pull-down van de bovendrijvende substantie. Om te voorkomen dat de neerslag van trastuzumab tijdens elutie, is het aan te bevelen te gebruiken van een oplossing met hoge buffer capaciteit, verdunde onmiddellijk met PBS en de buffer voor het vermijden van buitensporige concentratie te wisselen. Houd altijd het antilichaam < 5 mg/mL.
De vervoeging van trastuzumab(CypK)2 met tetrazine-vcMMAE is sneller dan de meeste reacties met andere bioorthogonal handvatten voor ADCs gerapporteerd. Bovendien, deze cycladdition vindt plaats onder zeer milde omstandigheden: kamertemperatuur of lager en fysiologische pH. Het is belangrijk om te verdunnen de DMSO stamoplossingen van de reactanten met acetonitril vóór toevoeging van PBS en het antilichaam; anders neerslaat de tetrazine-derivaten. Acetonitril is vereist alleen te wijten aan de hoge hydrophobicity van MMAE en TAMRA, maar minder hydrofobe moleculen wellicht niet de toevoeging van een co-solvent. Tetrazine-vcMMAE kan als alternatief worden vervoegd zonder acetonitril en slechts 2 molair equivalenten van tetrazine-vcMMAE binnen 20 uur. Deze kleine hoeveelheid toxine kan betrekking hebben op een substantiële afname van de productiekosten van ADC in vergelijking met de huidige ncAA gebaseerde technologieën. Trastuzumab(CypK)2 is volledig reactief gedurende ten minste 4 maanden wanneer bewaard bij 4 ° C.
HPLC-HIC kunt een nauwkeurige bepaling van DAR aangezien MMAE zeer hydrofobe is en biedt een uitstekende resolutie van de pieken die overeenkomt met de geconjugeerde antilichaam met 0, 1 en 2 toxines. Spoorverontreiniging tetrazine-vcMMAE GC ongeveer 13.7 min en wordt gedetecteerd bij 280 nm. Deze techniek vereist een grondstof met hoge zuiverheid. Bovendien, het is niet aan te bevelen om de reactie met andere tetrazine-reactieve moleculen zoals BCN-OH quench aangezien zij de retentietijden en de vorm van de pieken veranderen kunnen. Het is essentieel dat de zoutconcentratie van de monsters overeenkomt met de in de mobiele fase aan het begin van het verloop om het verkrijgen van een goede scheiding, vooral als meer dan 10-20 µL worden geïnjecteerd.
Met betrekking tot de analyse van de LC-MS is deglycosylation van de monsters van antilichaam nodig om verkijgen een één piek op deconvolutie van het ruwe spectrum. De nauwkeurigheid van de totale antilichaam en ADC massa’s kan variëren afhankelijk van de kalibratie van het instrument. Vandaar, om te berekenen van de massa van de wijziging, aftrekken de massa verkregen voor de ongewijzigde antilichamen van verkregen voor de ADC. Moderne high-resolution massaspectrometers dient een relatieve fout onder 1:10000. Hoewel LC-MS kan ook worden gebruikt voor de berekening van de verhouding tussen de verschillende soorten, is deze waarde meestal een overschatting omdat de wijziging van invloed kan zijn op de capaciteit van ionisatie van de soorten gegenereerd en lage hoeveelheid onzuiverheden worden niet gedetecteerd.
De stabiliteit van de linker in ADCs is essentieel, omdat de voortijdige vrijlating van de drug in hogere toxiciteit en lagere werkzaamheid resulteert; de gratis cytotoxin schade gezonde weefsels en de naakte antilichaam concurreert met de gewapende is voor de doelgroep bandplaatsen op zieke cellen. Een release minder dan 5%, die binnen de variabiliteit van de bepaling van de stabiliteit, mag worden verwacht.
Tot slot de selectiviteit van een ADC targeting HER2 zoals trastuzumab(MMAE)2 kan worden beoordeeld door vergelijking van de cytotoxiciteit wordt in SK-BR-3 cellen (HER2 hoog) en MCF-7 cellen (HER2 lage) sinds de laatste 15-fold minder HER2-receptoren dan de voormalige28 express . De immunoconjugate naar verwachting leiden tot in een levensvatbaarheid van de cellen ten minste 2 ordes van grootte lager in SK-BR-3 vergeleken met MCF-7. De EG-50 in SK-BR-3 moeten in het bereik van de twee-cijferige nanomolar als gevolg van de hoge potentie van deze ADC29,30. Het ongewijzigde antilichaam, trastuzumab(MMAE)2 of trastuzumab, geen toxiciteit in deze test moet weergeven. Tetrazine-vcMMAE moet een effect 3 ordes van grootte lager dan de ADC aangezien de linker de activiteit van de toxine van het peptidomimetic verwijdert. Omgekeerd, omdat MMAE kunnen doordringen in het celmembraan30 is, het moet hebben een gelijkaardige toxiciteit voor de ADC maar geen discriminatie tussen HER2 hoge en lage cellijnen HER2 weergeven. Bovendien, als deze test wordt uitgevoerd na een 5-daagse incubatie van de ADC in serum, het kan worden gebruikt een functionele bewijs levert voor de stabiliteit van de linker: een release van de toxine zou leiden tot hetzij een afname van ADC efficiëntie van SK-BR-3 als MMAE werd uitgebracht met p kunst van de linker- of een verlaging van de selectiviteit als de linker was gekloofd in een spoorloze mode.
De technologie van de ADC hierin beschreven kunnen de efficiënte en site-specifieke opneming van een cyclopropeen afgeleide van lysine in IgG1s. Na een zuivering van de facile, antilichamen kunnen snel worden vervoegd met tetrazine-bevattende moleculen, opbrengst van homogene producten. Vanwege de kleine omvang en hoge reactiviteit van minimale handgreepsteun cyclopropeen, moet deze methode de vervoeging van sterically gehinderd payloads inschakelen. De resulterende immunoconjugates zijn stabiel in serum en zijn zeer krachtige en selectieve. CypK kunnen over het algemeen een snel en stabiel en site-specific bioorthogonal koppeling voor antilichaam en andere eiwit geconjugeerde moet worden gebruikt bij de behandeling of diagnose.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd gesteund door de Medical Research Council, UK. BO-S. houdt een EMBO fellowship (ATLF 158-2016) en is dankbaar aan H. Pelham en J.W. kin voor steun, en G. Kym, C. W. Morgan, en O. Perisic voor hulp en advies.
Expi293F | ThermoFisher Scientific | A14527 | HEK suspension cells |
Expi293 Expression Medium | ThermoFisher Scientific | A1435101 | Expression medium |
Antibiotic-antimycotic | ThermoFisher Scientific | 15240062 | Penicillin-streptomycin-amphotericin B |
125mL Polycarbonate Erlenmeyer Flask with Vent Cap | Corning | 431143 | Shake flasks |
Brunswick S41i incubator | Eppendorf | S41I230011 | CO2 incubator with a shaker |
Sodium hydroxide 4 mol/l (4 N) in aqueous solution | VWR | 191373M | |
Cyclopropene lysine | Sichem | SC-8017 | In this study it was synthesized as described by Elliot et al. 2014 |
Steriflip-GP, 0.22 µm, polyethersulfone, gamma irradiated | Merck Millipore | SCGP00525 | |
Opti-MEM, Reduced Serum Medium | ThermoFisher Scientific | 31985070 | Reduced serum medium |
ExpiFectamine 293 Transfection Kit | ThermoFisher Scientific | A14525 | Transfection reagent |
5810 R centrifuge | Eppendorf | 5811000460 | |
Millex-GP Syringe Filter Unit, 0.22 µm, polyethersulfone, 33 mm, gamma sterilized | Merck Millipore | SLGP033RS | |
Protein A resin | Sino Biological | 10600-P07E-RN-25 | |
Poly-Prep Chromatography Columns, Pkg of 50 | Bio-Rad | 7311550 | Polypropylene chromatography column |
Econo-Column Funnel | Bio-Rad | 7310003 | |
Sodium citrate | Fluka | 71635 | |
ÄKTA explorer FPLC | GE Healthcare | ||
HiTrap HIC Selection Kit | GE Healthcare | 28-4110-07 | Includes HiTrap 1 mL Butyl HP |
Ammonium sulfate | VWR | 2133.296 | |
Isopropanol | Honywell | 34863-2.5L | |
Dymethyl sulfoxide | Sigma-Aldrich | D8418-50ML | |
Tetrazine-vcMMAE | ChemPartner | – | Costum synthesized |
Tetrazine-5-TAMRA | Jena Bioscience | CLK-017-05 | |
NuPAGE 4-12% Bis-Tris Gel 1.0mm x 10 well | ThermoFisherScientific | NP0321BOX | |
Xcell SureLock Mini-Cell | ThermoFisherScientific | EI0001 | |
UltiMate 3000 HPLC | ThermoFisherScientific | ||
Thermo Scientific MAbPac, HIC-20, 4.6 x 100 mm, 5 µm | ThermoFisherScientific | 088553 | |
PNGase F | New England BioLabs | P0704S | |
NanoAcquity | Waters | ||
C4 BEH 1-5 µm 1.0 x 100 mm UPLC column | Waters | ||
96-well microplates for cell culture | ThermoFisherScientific | 156545 | |
Human serum | Sigma-Aldrich | H4522-20mL | |
CO2 incubator | Panasonic | ||
HER2 ECD | Sino Biological | 10004-HCCH | |
Anti-TAMRA | Abcam | an171120 | |
Anti-mouse HRP | Santa Cruz | sc-2005 | |
TMB | BioLengend | 421101 | |
Sulfuric acid | Sigma-Aldrich | 84727-500ML | |
PHERAstar FS | BMG Labtech | Plate reader | |
DMEM | Sigma-Aldrich | D5671-500ML | |
SK-BR-3 | ATCC | HTB-30 | |
MCF-7 | ATCC | HTB-22 | |
CellTiterGlo 2.0 Assay | Promega | G9242 | Cell viability assay based on the measurement of ATP released after cell lysis. The output signal is luminscence. |
Monomethyl Auristatin E | Cayman Chemical | 16267 | |
NanoDrop 2000 | ThermoFisherScientific | Microvolume spectrophotometer | |
Human IgG ELISA Quantificaiton Set | Bethyl | E80-104 | |
MaxEnt1 in MassLynx | Waters | Software application for mass spectrum deconvolution | |
IntantBlue | Expedeon | ISB1L | Coomassie-based stain |
Intact MMAE-ADC ELISA Kit (Sandwich Assay) | Epitope Diagnostics, Inc. | KTR 782 | |
Tube 50 mL, 114x28mm, PP | Sarstedt | 62.547.254 | Conical tube |
Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter Units 50,000 NMWL | Merck | UFC905024 | Centrifugal filtration concentrator (after protein A pull down) |
Amicon Ultra-4 Centrifugal Filter Units 50,000 NMWL | Merck | UFC805024 | Centrifugal filtration concentrators (after FPLC or HPLC purification) |
Zeba Spin Desalting Columns, 7K MWCO, 0.5 mL | ThermoFisherScientific | 89882 | Size exclusion spin columns |
Tube PCR 0.2ml Flat Cap | Thistle Scientific Ltd | AX-PCR-02-C-CS | PCR tubes |
Nunc MaxiSorpª flat-bottom | ThermoFisherScientific | 44-2404-21 | Plates for ELISA |