Моноклональные антитела для чего применяются

Моноклональные антитела: исследования и применение

Когда в организм попадает чужеродный белок или бактерия, запускается система защиты – иммунный ответ. Это В-лимфоциты, которые начинают синтезировать белки, узнающие какой-либо участок чужеродного белка. А моноклональные антитела – это антитела, вырабатываемые иммунными клетками, принадлежащими к одному клеточному клону. Они узнают один конкретный участок патогена, известный нам, и воздействуют на него. То есть это не смесь антител, которые вырабатывает организм множеством В-клеток в ответ на патоген, а только один конкретный вид, способный узнавать один конкретный эпитоп, например участок домена определенного клеточного рецептора.

Открытие моноклональных антител

Моноклональные антитела были открыты в 1975 году Жоржем Кёлером и Сезаром Мильштейном. Они опубликовали статью, посвященную разработке гибридомного метода. Ученые смогли слить B-лимфоциты, синтезирующие антитела, с клетками миеломы (раковыми клетками) с использованием полиэтиленгликоля или вируса Сендай. Таким образом ученые получили гибридому, обладающую свойствами как раковой клетки (способность делиться большое количество раз), так и B-лимфоцитов (синтез антител). А дальше определенными многостадийными этапами селекции они отделили клетки, синтезирующие необходимое антитело.

Основой для создания терапевтических моноклональных антител являются иммуноглобулины подкласса G1 человека, поскольку этот вид антител обладает рядом преимуществ, одно из которых – наибольший период полувыведения из крови. После введения в организм иммуноглобулины подкласса G1 живут вплоть до трех недель. Это очень важно, ведь для терапии самое главное – чтобы лекарство находилось в организме пациента как можно дольше.

Соответственно, все антитела гуманизируют, чтобы организм человека их не отторгал. Несмотря на существование общих систем лечения, бывают ситуации, когда ученым необходимо искать новый подход к лечению патологии. Все индивидуально. Например, для конкретного человека полученное антитело может являться аллергическим агентом или в организме возникает устойчивость к нему. При таких проблемах на помощь могут прийти системы получения антител в растениях, поскольку за неделю-две можно получить желаемые антитела, что гораздо больше времени займет на системах с животной клеткой. Мы знаем последовательность, кодирующую определенное антитело, затем создаем конструкцию и инфильтрируем ее в растение с помощью агробактерии.

Табак и антитела

Свои исследования мы проводим на растении Nicotiana benthamiana (австралийский табак). Поскольку большое количество растительных патогенов способно заразить его, оно широко используется в вирусологии, благодаря чему хорошо изучены и разработаны различные векторные системы продукции целевых белков на основе вирусов растений.

В наших исследованиях мы используем векторы на основе вирусов растений. Один из них – это вирус табачной мозаики (ВТМ), широко известный и полностью изученный, а другой – это Х-вирус картофеля (ХВК). Мы используем их, чтобы доставлять гены, кодирующие антитела, в растительную клетку. После чего растительная клетка синтезирует с этих векторов белки, которые собираются в растении в полноразмерные антитела. Затем мы выделяем их на специальных колонках, которые используют во всех методах очистки антител.

Важно понимать, что стадия очистки антител, полученных в растениях, не отличается от тех, которые используют на животных клетках. В принципе, получение моноклональных антител в животных клетках и растениях сопоставимо по времени – разница в биобезопасности. Препараты, которые получают в животных клетках, могут заразить человека вирусами животных или прионами.

Человек не может заразиться от растений. Во-первых, для нас их вирусы не опасны. Во-вторых, растениям не нужны питательные среды, которые имеют риск внесения контаминации разными агентами, опасными для человека. Это главные тезисы, которыми мы оперируем, защищая нашу теорию о том, что растения прекрасно подходят для синтеза антител. Но даже если принимать во внимание, что использование моноклональных антител не дойдет до терапии, все же они широко применяются в различных видах диагностики. Помимо медицины, антитела используются также в молекулярной биологии как способ детекции целевого белка и в химии как способ очистки или выделения также белка или полисахарида.

Применение моноклональных антител в борьбе с раком

До недавнего времени мы работали только с аналогом трастузумаба – антитела, предназначенного для лечения HER2-позитивного рака молочной железы. Оно узнает четвертый домен этого рецептора и взаимодействует только с ним, останавливая пролиферацию клеток.

Однако хорошо известны случаи приобретения устойчивости к трастузумабу (коммерческое название – герцептин) у пациентов. Он продается в аптеках и используется в терапии рака молочной железы во всем мире. Решая эту проблему, ученые разработали еще одно антитело к этому рецептору, но взаимодействующее со вторым доменом – доменом димеризации. Его назвали пертузумаб (коммерческое название – перьета). И мы поставили перед собой задачу синтезировать это антитело. Суть терапии заключалась в том, что перьету добавляли к герцептину и их использование помогало избежать устойчивости рака только к герцептину. Только так они замедляли рост ракового образования и пролиферации клеток.

Мы озадачились темой получения пертузумаба в растениях. Для начала мы зашли в общедоступный сервис, который называется Drug Bank. В нем размещена база данных всех известных препаратов, последовательности аминокислот тех белков, которые используются в различных медицинских направлениях. В том числе в Drug Bank мы нашли последовательности пертузумаба (перьеты). Осталось лишь адаптировать ее под синтез в растении, используя интернет-ресурс для оптимизации кодонного состава. Конечно, нуклеотидная последовательность будет разной для растительной клетки и для животной, но в результате мы получаем одну и ту же аминокислотную последовательность. После того как мы получили оптимизированную нуклеотидную последовательность, мы синтезировали нуклеотидный код и вставили в вектора, которые в дальнейшем использовали для синтеза антител в растении.

Перспективы исследования моноклональных антител

Иногда возникают такие ситуации, как, например, с вирусом Эбола: патоген стремительно распространяется, заражая людей и подводя их к смерти. Что касается тестирования препаратов на людях, то известно, что во время вспышки геморрагической лихорадки Эбола в Западной Африке была острая необходимость победить болезнь как можно раньше. И в этом случае сработали антитела, которые частично получали в растениях. Это ZMapp. Его смогли использовать в качестве лекарственного средства и ввели семи больным, хотя его безопасность ранее не была проверена в тестировании на людях. У пяти пациентов состояние значительно улучшилось, и болезнь отступила. Сейчас, после удачной экстренной помощи больным, были начаты систематические исследования биобезопасности и эффективности лечения (фазы I/II) препаратом ZMapp. Хотелось бы, чтобы возможность использовать антитела, полученные в растениях, возникала не при подобных обстоятельствах. Поэтому мы будем продолжать работать над тем, чтобы полностью избавиться от сомнений в использовании антител, синтезированных в растительной клетке.

Автор – кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории генетического контроля устойчивости к стрессам Института общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН.

Источник

Достижения фармацевтики: моноклональные антитела

Роза Ягудина о значении моноклональных антител в современной медицине и перспективах их применения

Моноклональные антитела (МАТ) сегодня применяются при лечении заболеваний, большинство из которых еще несколько десятков лет назад считались неизлечимыми. Это онкологические, аутоиммунные, сердечно-сосудистые и инфекционные заболевания, воспалительные реакции различного генеза, системный склероз, идиопатический фиброз легких, гепатит В, СПИД, ревматоидный артрит, системная красная волчанка, аллергические реакции, мышечная дистрофия, болезнь Альцгеймера, астма, диабет и другие заболевания.

Препараты, изготовленные на основе моноклональных антител, относятся к новейшим в современной медицине. С середины 90-х годов до сегодняшнего дня на мировом фармацевтическом рынке одобрено более 30 лекарственных средств, имеющих в составе моноклональные антитела. Первоначально надежность методов и технологий производства моноклональных антител и безопасность их применения вызывали опасения у фармацевтических производителей. Однако сегодня научный и медицинский опыт показал возможность их эффективного и безопасного применения в медицине. Сейчас большинство фармацевтических компаний работают над разработкой новых препаратов и лекарственных средств на основе моноклональных антител. На этапе разработки в мире находится около 300 МАТ.

В чем же уникальность и специфика применения моноклональных антител?

Иллюстрации и примеры в статье взяты из: Ягудина Р.И., Тихомирова А.В. История развития моноклональных антител, их настоящее и будущее // Современная организация лекарственного обеспечения. – 2013. – №1. – 6–27

История открытия

История получения и применения моноклональных антител уходит своими корнями в исследования конца 19 века. С тех пор, за прошедшие более чем сто лет, моноклональные антитела успели несколько раз совершить революцию в медицине, полностью перевернув представления о возможностях лекарственной терапии.

Первый шаг — иммунизация антителами животных (XIX в. – начало XX в.)

Ученых с давних пор интересовал вопрос о том, каким образом организм создает множество различных антител, обладающих уникальной специфичностью в отношении чужеродных веществ (антигенов), и каким образом эти антитела работают. Один из первых шагов к ответу на этот вопрос был сделан группой ученых, работавших в Институте инфекционных болезней в Берлине и открывших методы лечения дифтерии. В конце XIX века дифтерия у детей считалась смертельным неизлечимым заболеванием. Врач иммунолог-бактериолог Эмиль Беринг (Emil Behring) предположил, что лечение дифтерии может быть успешным в случае проявления естественной защитной реакции человеческого организма, а именно, если секретируемый дифтерийными бактериями токсин нейтрализовать. В 1890 г. Беринг совместно с японским ученым Сибасабуро Китасато установили, что неиммунизированные животные могут быть защищены от токсина дифтерийных бактерий с помощью инъекции антитоксина (антитоксической сыворотки) иммунизированных животных. В 1894 г. в период эпидемии дифтерии, унесшей жизни 50 000 детей в Германии, были произведены первые 25 000 доз антитоксина для применения в лечении людей. В 1901 г. Эмилю Берингу была присуждена Нобелевская премия за работу по сывороточной терапии. Однако на тот момент эффективность сыворотки была достаточно низкой, поскольку антитела в сыворотке вырабатывались клетками животных, а не самого пациента и вызывали лишь пассивный иммунитет. Антитоксин необходимо было вводить сразу после инфицирования, иначе было слишком поздно.

Еще одним примером использования антисыворотки в терапии людей стали исследования Чарльза Ричета (Charles Richet) и Жюля Эрикура (Jules Héricourt), применявших для лечения онкологических заболеваний антисыворотку, полученную путем иммунизации животных тканями саркомы. С середины 30-х годов практика пассивной иммунизации сошла на нет в связи с открытием антибиотиков широкого спектра действия.

Второй шаг — расшифровка структуры моноклональных антител (30–70-е гг. XX в.)

В 30-х гг. появились ультрацентрифуги, позволявшие разделять антитела по размеру и форме. В 40-х гг. ученые научились сортировать антитела по электрическому заряду и размеру. Однако дальнейшая расшифровка структуры антитела была пока недоступна из-за их большого размера, в 20 раз превышавшего размер молекул белков, структуры которых к тому времени уже были расшифрованы. Только в 1962 г. на базе многочисленных исследований, проводившихся различными учеными, Родни Портер (Rodney Porter) расшифровал основную структуру антител, стало известно, что антитело состоит из легкой и тяжелой цепи. Позже Родни Портеру совместно с Джеральдом Эдельманом (Gerald Edelman) удалось определить последовательность 1300 аминокислот, входящих в белковую цепь антитела, производимого клетками раковой опухоли миеломы. В то время это была самая большая расшифровка аминокислотной последовательности, за что в 1972 году ученые получили Нобелевскую премию. В результате исследований Портера и Эдельмана стало известно, что антитело имеет форму буквы Y, в которой нижняя часть (тяжелая цепь) имеет постоянную структуру для разных антител, а плечи (легкие цепи) значительно различаются у различных антител. Именно эти плечи отвечают за связывание антитела с антигеном и его нейтрализацию.

(Рисунок 1. Структура антитела, за которую ученые Родни Портер и Джеральд Эдельман в 1972 г. получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине)

Третий шаг — разработка первой технологии синтеза антител (70–80-е гг. XX в.)

К 1970-м годам уже были известны некоторые важные моменты о том, каким образом в организме человека вырабатываются антитела. В частности, было известно, что за продуцирование антител отвечают В-лимфоциты, причем каждый В-лимфоцит может вырабатывать только одно специфическое антитело, при этом он редуплицируется и за счет этого быстро производит большое количество идентичных по структуре антител — так называемых моноклональных, то есть произошедших от одной клетки-предшественницы.

Добиться столь же быстрой выработки антител в лабораторных условиях удалось в 1975 году ученым Георгу Кёлеру (Georges Köhler) и Сезару Мильштейну (César Milstein). На тот момент была исследована способность клеток раковой опухоли миеломы быстро производить идентичные самим себе клетки. Кроме того, существовала возможность выделения антителопродуцирующих клеток из организма животных. Технология Кёлера и Мильштейна включала несколько этапов: у мыши вырабатывался иммунитет к известному антигену, затем из ее селезенки выделялись антителопродуцирующие клетки, эти клетки с помощью особой технологии соединялись с клетками миеломы с получением гибридомы, клетки которой непрерывно в большом количестве синтезировали антитела против известного антигена. Эта методика произвела переворот в изучении антител, поскольку позволила получать антитела с удивительно точным соответствием определенной структуре. В дальнейшем технология была усовершенствована, и в 1984 году Кёлер, Мильштейн и датский иммунолог Нильс Ерне (Niels Jerne) получили Нобелевскую премию за участие в создании антител, которые можно использовать для диагностических исследований и создания лекарственных средств. В дальнейшем было разработано множество технологий, позволивших усовершенствовать синтез антител за счет развития технологий рекомбинации ДНК, технологий клонирования клеток и других достижений генной инженерии.

Четвертый шаг — применение искусственно синтезированных антител для лечения заболеваний (80-е гг. XX в.)

При первых попытках применения для лечения людей антител, искусственно синтезированных из клеток животных, ученые столкнулись с трудностями. В 1979 г. впервые в мире ученые Филип Сташенко (Philip Stashenko) и Ли Надлер (Lee Nadler) применили искусственно синтезированные моноклональные антитела, полученные из клеток мышей, против антигенов, которые вырабатываются на поверхности клеток раковых опухолей. Однако было выявлено, что мышиные антитела в незначительной степени связывались с опухолевыми антигенами и воспринимались организмом как чужеродные клетки.

С 1986 г. на фармацевтическом рынке началась реализация препарата компании Janssen «Ортоклон ОКТ3» (муромонаб), который позволяет купировать реакцию отторжения трансплантата почки, оказывая избирательное иммуноподавляющее действие. Препарат имеет полностью мышиное происхождение, то есть синтезируется мышиными гибридомами, полученными слиянием мышиной миеломы и мышиных В-лимфоцитов. Вскоре после выхода препарата на рынок стало ясно, что при длительном применении мышиных моноклональных антител в качестве лекарственных средств их эффективность снижалась. Это связано с тем, что мышиные белки являются иммуногенными для организма человека, то есть воспринимаются как чужеродные объекты. В связи с этим у пациентов, которым вводят мышиные антитела, быстро образуются человеческие антимышиные антитела (human antimurine antibody – HAMA). Образующиеся HAMA-антитела нейтрализуют эффект мышиных антител.

Пятый шаг — создание химерных антител (90-е гг. XX в.)

В начале 90-х гг. с использованием молекулярно-биологических методов, основанных на применении рекомбинантной ДНК, были созданы химерные антитела. В химерных антителах часть «мышиной» молекулы с помощью методов генной инженерии заменялась на участок человеческого происхождения, а часть оставалась фрагментом мышиного происхождения. Поскольку белковая последовательность химерных антител на 75% состояла из «человеческих» последовательностей аминокислот, то у пациентов, получавших химерные антитела, HAMA-антитела образовывались в значительно меньшем количестве, и это сделало препараты на основе химерных антител значительно более эффективными, чем на основе мышиных. В дальнейшем был выпущен целый ряд лекарственных средств на основе химерных антител: ритуксимаб, выпускаемый под брендами «Мабтера» и «Ритуксан», — для лечения раковых опухолей, «Ремикейд» (инфликсимаб) — для лечения болезни Крона, «Симулект» (базиликсимаб) — для профилактики острого отторжения трансплантата почки, «Реопро» (абциксимаб) — для профилактики стенокардии и острого инфаркта миокарда, а также другие препараты.

Разработка химерных антител позволила практически полностью отказаться от использования мышиных антител. Однако в некоторых случаях использование мышиных антител и сегодня остается оправданным. Из одобренных к применению лекарственных средств сегодня лишь три являются мышиными: «Ортоклон-ОКТ3» (муромонаб-CD3), «Зевалин» (ибритумомаб тиуксетан) и «Бексар» (тозитумомаб-йод 131). Два последних являются радиоактивно мечеными мышиными МАТ. Их функция заключается в доставке радиоизотопов к клеткам лимфомы. Наличие радиоактивной метки позволяет применять эти антитела в очень небольших количествах, поэтому иммуногенность, обусловленная мышиными последовательностями, в этом случае не так значима. То, что эти препараты включают именно мышиные, а не гуманизированные или человеческие формы делает их более эффективными, потому что гуманизированные формы могли бы связываться одновременно не только с клетками-мишенями, но и со здоровыми клетками, нанося им вред. Также к применению сегодня одобрен один препарат на основе крысино-мышиного МАТ — это препарат «Ремоваб» (катумаксомаб) для лечения злокачественного асцита.

Шестой шаг — создание гуманизированных и человеческих моноклональных антител (конец 90-х гг. XX в. — 2000-е гг. XXI в.)

В конце 90-х гг. с помощью методов генной инженерии удалось свести к минимуму процент мышиных последовательностей аминокислот в искусственно синтезируемых антителах, благодаря чему были получены гуманизированные антитела, еще в меньше степени вызывающие образование HAMA-антител у человека. Начиная с конца 90-х гг. на рынок было выпущено множество препаратов на основе гуманизированных антител.

Примеры препаратов на основе моноклональных антител:

В 2000-х годах усовершенствованные методы генной инженерии наконец позволили добиться долгожданного результата и получить человеческие МАТ. В настоящее время человеческие МАТ чаще всего получают с помощью технологии трансгенных мышей (мышей, выведенных с использованием фрагментов чужеродной ДНК) или фагового дисплея (особый метод генной инженерии с использованием вирусов-бактериофагов). Например, сегодня для клинического применения одобрены такие препараты, созданные на основе человеческих МАТ, как «Бенлиста» (белимумаб) — для лечения красной волчанки, «Ервой» (ипилимумаб) — для лечения меланомы, «Симпони» (голимумаб) — для лечения ревматоидного артрита, псориатического артрита, болезни Бехтерева, а также другие препараты.

Еще один тип веществ, созданных методами генной инженерии для лечения пациентов, — это так называемые «белки слияния», в которых искусственно соединены два отдельных белка, зачастую с различными функциями. Например, на основе такого вещества создан препарат «Амевив» (алефацепт) моноклональные антитела при псориазе, орфанный препарат «Аркалист» (рилонацепт) — для лечения редких генетических аутовоспалительных заболеваний, относящихся к группе криопинсвязанных периодических синдромов, и другие препараты.

Разработка новых моноклональных антител сегодня

Разработка лекарственного средства с использованием моноклональных антител — это очень длительный и дорогостоящий процесс. Например, первый препарат на основе мышиных антител «Ортоклон OKT3» был зарегистрирован в 1986 г., только через 11 лет после того, как мышиные антитела были впервые описаны. Первый препарат на основе химерного МАТ «Реопро» был одобрен в 1994 г., через 10 лет после первых работ по изучению химерных МАТ. Первый препарат на основе гуманизированного МАТ «Зенапакс» был утвержден в 1997 г., через 11 лет после первого доклада о конструкции гена гуманизированного антитела. Препарат «Энбрел» на основе слитых белков был одобрен в 1998 г., через 10 лет после описания «белков слияния». Препарат «Хумира» на основе человеческих МАТ был одобрен в 2002 году, через 12 лет после первой статьи о подобных МАТ.

Сегодня интерес к разработке новых препаратов на основе моноклональных антител со стороны производителей очень высок. В настоящее время на территории Российской Федерации стадию клинических исследований проходит более 10 препаратов на основе МАТ. Общее количество препаратов, находящихся на стадии разработки в мире, исчисляется сотнями.

Перед современными учеными, исследующими моноклональные антитела, стоит множество актуальных задач. В частности, поиск решения проблемы иммуногенности препаратов, изготовленных на основе МАТ. Большинство препаратов на основе МАТ, которые сегодня проходят стадию клинических исследований, включают в состав человеческие антитела. Использование этого типа антител снизило иммуногенность препаратов, однако не устранило проблему полностью, поскольку иммунная система человека способна вырабатывать антитела против любого терапевтического белка.

Еще одна проблема, связанная с применением препаратов на основе моноклональных антител, обусловлена тем, что МАТ представляют собой крупные молекулы, которые не способны проникать внутрь клетки или глубоко в ткани. Сегодня МАТ нельзя применять внутрь, так как их концентрация для достижения эффекта должна в несколько тысяч раз превышать концентрацию молекул-мишеней. В связи с этими особенностями, сегодня ученые озабочены созданием нового поколения лекарственных средств, которые объединят в себе преимущества МАТ и мелкомолекулярных препаратов. На этом пути сделано уже несколько важных научных открытий. Первое из них — создание шведской компанией Affibody особых «аффител», которые обладают свойствами обычных антител, но имеют в десятки раз меньшую молекулярную массу, что позволяет им лучше проникать в ткани. Еще одно достижение науки — разработка «нанотел» бельгийской компанией Ablynx. Эти препараты характеризуются высокой стабильностью, что позволяет использовать их внутрь и местно. Кроме того, они просты в производстве. Сейчас на стадии клинических исследований у пациентов с тромбозами и остеопорозом находятся четыре «нанотела». Наконец, еще одно сверхсовременное направление — разработка доменовых антител американской компанией Domantis. Эти антитела должны соответствовать различным отделам тяжелой и легкой цепи антител человека и быть в десять раз меньше обычного антитела, что позволит применять их внутрь и ингаляционно.

Пока что длительность и высокая стоимость производства лекарственных средств с использованием моноклональных антител делает их не всегда доступными для пациентов. Однако ученые работают над созданием новых технологий, которые позволят выпускать новые препараты быстрее и по более низкой стоимости. Благодаря современным технологиям, уже сегодня многие препараты стали доступными для большого количества пациентов и позволили излечить заболевания, ранее считавшиеся неизлечимыми. Можно надеяться, что в будущем спектр излечимых заболеваний еще более расширится, а лекарственные средства на основе моноклональных антител станут еще более эффективными.

Номенклатура моноклональных антител

В октябре 2008 г. на заседании Экспертной группы ВОЗ по международным непатентованным названиям (МНН) были утверждены рекомендации, касающиеся номенклатуры МАТ. МНН моноклональных антител должны включать в себя:

Источник