Science先進技術(shù)揭示治療性單克隆抗體與CD20分子相互作用機制

來源：作者：人氣：-發(fā)表時間：2025-01-15 14:06:00【大中小】

摘要：在慢性淋巴細胞性白血病等血癌中，免疫系統(tǒng)的B細胞不受控制地繁殖。

近日，德國維爾茨堡大學(xué)生物中心生物技術(shù)與生物物理學(xué)系的研究人員在Science期刊上發(fā)表了一篇具有重要意義的論文，這項工作由歐洲研究委員會、德國聯(lián)邦教育和研究部以及德國研究基金會資助。該研究聚焦于治療性單克隆抗體（mAbs）與CD20分子之間的相互作用機制。這項研究不僅為理解mAbs如何激活免疫系統(tǒng)以殺死B細胞提供了關(guān)鍵的分子層面見解，還可能對改進現(xiàn)有mAbs藥物的設(shè)計和開發(fā)產(chǎn)生深遠影響。

圖1 用快速體積納米顯微鏡解碼CD20和治療性抗體的分子相互作用

背景

在過去30年里，治療性單克隆抗體作為抗癌藥物取得了巨大成功。它們通過特異性結(jié)合目標抗原來誘導(dǎo)細胞毒性，促進免疫反應(yīng)，如抗體依賴性細胞毒性（ADCC）和補體依賴性細胞毒性（CDC）。CD20是一種在大多數(shù)B細胞表面表達的受體，利妥昔單抗（RTX）是首個獲批的抗CD20治療性mAb，用于治療B細胞惡性腫瘤和自身免疫性疾病。此外，還有人源化mAb奧法木單抗（OFA）和奧濱尤妥珠單抗（OBZ）等。這些mAbs與B細胞結(jié)合后，會改變CD20在膜上的納米尺度組織，激活細胞毒性途徑。然而，目前對于mAbs的結(jié)合機制以及結(jié)合誘導(dǎo)的內(nèi)源性CD20在膜上的重組如何激活免疫系統(tǒng)殺死B細胞的分子細節(jié)知之甚少。早期有跡象表明CD20可被RTX串聯(lián)，但相關(guān)實驗是在非生理條件下進行的體外實驗。為了破解B細胞上內(nèi)源性CD20與治療性mAbs之間的分子相互作用，需要能夠提供高時空分辨率的三維（3D）體積超分辨率熒光成像方法。

JMU生物中心的Markus Sauer教授說：“在慢性淋巴細胞白血病等血癌中，免疫系統(tǒng)的B細胞不受控制地繁殖。一種治療方法是用定制抗體在B細胞表面標記CD20蛋白。這會引發(fā)一系列的免疫反應(yīng)，最終導(dǎo)致癌細胞的毀滅。這種免疫治療抗體已經(jīng)用于治療腫瘤疾病30年了。盡管這對治療的成功至關(guān)重要，但我們?nèi)匀粚贵w如何與CD20結(jié)合以及隨后的反應(yīng)如何發(fā)生的細節(jié)知之甚少。”

追蹤抗體有效性

這種情況現(xiàn)在可能會改變：由JMU生物物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個團隊開發(fā)了一種新的超分辨率顯微方法。這使得首次在具有分子分辨率的3D中研究治療性抗體與腫瘤細胞靶分子的相互作用成為可能。Markus Sauer說：“我們現(xiàn)在可以觀察到抗體的工作效率，從而為改進治療方法的發(fā)展做出貢獻。”這種新的顯微方法被稱為LLS-TDI-DNA-PAINT。在科學(xué)雜志《Science》上，第一作者Arindam Ghosh博士和Markus Sauer的主席團隊描述了新開發(fā)的技術(shù)如何工作，以及已經(jīng)獲得的發(fā)現(xiàn)。來自維爾茨堡大學(xué)附屬醫(yī)院第二醫(yī)學(xué)診所的Thomas Nerreter博士和Martin kort教授也參與了這項研究。

材料方法與關(guān)鍵技術(shù)路線

研究人員引入了一種速度優(yōu)化的基于DNA的點累積成像納米拓撲（DNA-PAINT）變體。其核心思想是利用常規(guī)的DNA-PAINT成像器，這些成像器末端標記有兩個相同的熒光團，在未結(jié)合狀態(tài)下形成非熒光H-二聚體。這使得能夠使用更高濃度的成像器，從而比經(jīng)典DNA-PAINT實現(xiàn)約15倍更快的二維（2D）成像。為了實現(xiàn)快速的全細胞三維成像，研究人員將雙染料成像器DNA-PAINT（TDI-DNA-PAINT）與晶格光片（LLS）顯微鏡相結(jié)合。此外，他們還利用LLS成像技術(shù)來闡明mAbs與CD20在活B細胞中實時的結(jié)合相互作用，實現(xiàn)了四維成像。

圖2 CD20和治療性單克隆抗體的分子相互作用

研究結(jié)果

mAb-CD20復(fù)合物分布成像

通過應(yīng)用二維TDI-DNA-PAINT，研究人員對貼壁B細胞基底膜上的mAb-CD20復(fù)合物分布進行了成像，識別出由微絨毛聚集的CD20受體串聯(lián)形成的絲狀排列，這些受體夾在細胞和蓋玻片之間。為了避免表面誘導(dǎo)的偽影，他們使用三維LLS TDI-DNA-PAINT驗證了結(jié)果。由于TDI-DNA-PAINT允許使用顯著更高濃度的成像探針，全細胞成像僅需幾小時即可完成。

mAbs對CD20的交聯(lián)作用

研究發(fā)現(xiàn)，CD20不僅被I型mAbs RTX和OFA交聯(lián)，而且在較高濃度下也被II型mAb OBZ交聯(lián)，從而推翻了目前對治療性mAbs的分類。此外，研究人員還證明了I型和II型mAbs都能誘導(dǎo)B細胞極化，并使CD20在微絨毛上積累，這些微絨毛通過mAbs的結(jié)合和串聯(lián)得以穩(wěn)定，且不同mAbs的結(jié)合和串聯(lián)效率不同。

結(jié)論與討論

本研究通過TDI-DNA-PAINT技術(shù)，結(jié)合LLS顯微鏡實現(xiàn)了快速全細胞成像，清晰地揭示了B細胞上內(nèi)源性CD20與三種不同治療性mAbs之間的分子相互作用。研究人員明確識別出I型和II型mAbs都能交聯(lián)并串聯(lián)CD20，形成不同幾何形狀的復(fù)合物，這無疑表明目前的mAbs分類是站不住腳的。鑒于CD20在微絨毛上強烈表達，且mAb結(jié)合會導(dǎo)致細胞突起處Fc片段局部高濃度聚集，可以推測這些CD20-mAb寡聚結(jié)構(gòu)會激活補體系統(tǒng)。活細胞成像顯示，在I型和II型mAb結(jié)合下，B細胞以濃度依賴性方式發(fā)生極化，細胞一側(cè)出現(xiàn)穩(wěn)定的微絨毛突起，且微絨毛的突起長度也受到所用mAb濃度的強烈控制。這些類似“刺猬”的細胞可能會很好地觸發(fā)巨噬細胞和自然殺傷細胞。

這項研究的重要性在于，它不僅為理解治療性mAbs的作用機制提供了新的視角，還可能為開發(fā)更有效的mAbs藥物提供理論依據(jù)。通過深入了解mAbs與CD20的相互作用細節(jié)，未來有望設(shè)計出更具針對性、更高效的治療方案，以更好地利用人體自身的免疫系統(tǒng)來對抗B細胞相關(guān)的疾病，這對于提高患者的治療效果和生存率具有重大意義。

接下來會發(fā)生什么？Arindam Ghosh博士說，以前將治療性抗體分為I型和II型的做法不能再維持下去了。到目前為止，研究已經(jīng)假設(shè)I型治療性抗體的作用機制與II型抗體不同。然而，新研究反駁了這一點。JMU的研究人員說：“刺猬的形狀使B細胞看起來好像它們想與另一個細胞形成免疫突觸。”可以想象，經(jīng)過處理的B細胞以這種方式激活免疫系統(tǒng)的巨噬細胞和自然殺傷細胞。研究小組現(xiàn)在將在進一步的研究中澄清這一假設(shè)是否正確。

參考資料

[1] Decoding the molecular interplay of CD20 and therapeutic antibodies with fast volumetric nanoscopy