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- CD40 (5) (entfernen)
Institut
- Abteilung für Molekulare Innere Medizin (in der Medizinischen Klinik und Poliklinik II) (5) (entfernen)
Targeted cancer therapy concepts often aim at the induction of adjuvant antitumor immunity or stimulation of tumor cell apoptosis. There is further evidence that combined application of immune stimulating and tumor apoptosis-inducing compounds elicits a synergistic antitumor effect. Here, we describe the development and characterization of bifunctional fusion proteins consisting of a single-chain variable fragment (scFv) domain derived from the CD40-specific monoclonal antibody G28-5 that is fused to the N-terminus of stabilized trimeric soluble variants of the death ligand TNF-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL). As shown before by us and others for other cell surface antigen-targeted scFv-TRAIL fusion proteins, scFv:G28-TRAIL displayed an enhanced capacity to induce apoptosis upon CD40 binding. Studies with scFv:G28 fusion proteins of TRAIL mutants that discriminate between the two TRAIL death receptors, TRAILR1 and TRAILR2, further revealed that the CD40 binding-dependent mode of apoptosis induction of scFv:G28-TRAIL is operable with each of the two TRAIL death receptors. Binding of scFv:G28-TRAIL fusion proteins to CD40 not only result in enhanced TRAIL death receptor signaling but also in activation of the targeted CD40 molecule. In accordance with the latter, the scFv:G28-TRAIL fusion proteins triggered strong CD40-mediated maturation of dendritic cells. The CD40-targeted TRAIL fusion proteins described in this study therefore represent a novel type of bifunctional fusion proteins that couple stimulation of antigen presenting cells and apoptosis induction.
Entwicklung CD40/DC-stimulierender rekombinanter Proteine mit Tumorantigen-restringierter Aktivität
(2013)
Dendritische Zellen (DC) sind spezielle Antigen-präsentierende Zellen und daher oft auch in die körpereigene Bekämpfung von Tumoren involviert. Über das CD40-CD40L-System stellen sie ein Ziel in der Tumorimmuntherapieforschung dar. CD40-spezifische Antikörper bewirken jedoch aufgrund der systemischen CD40-Aktivierung schwere Nebenwirkungen. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, mit Hilfe von Tumor-spezifischen scFvs (antigenbindenden Einzelkettenfragmenten) Fusionsproteine zu generieren, die ausschließlich bzw. stark bevorzugt Tumor-lokalisiert dendritische Zellen aktivieren. In dieser Arbeit wurde anhand von Kokulturen von Tumorantigen-positiven Tumorzellen mit dendritischen Zellen gezeigt, dass dies möglich ist. Das hierfür generierte Fusionsprotein anti-CD20-Flag-CD40L führte CD20-restringiert, d.h. bei gleichzeitiger Bindung von CD20-positiven Tumorzelllinien (B-Zelllinien) zu einer deutlich verstärkten Aktivierung der DC. Mit einem solchen Fusionsprotein ist nun grundsätzlich die Möglichkeit vorhanden, DCs Tumorantigen-abhängig, das heißt im Tumorgewebe selbst verstärkt zu stimulieren. Die auf diese Weise aktivierten DCs können nun aufgrund der induzierten Veränderungen (IL-12-Produktion, Hochregulation kostimulierender Moleküle) Tumor-lokalisiert eine lokale, auf den Tumor begrenzte Immunantwort auslösen. Auf diese Weise sollte es möglich werden, Nebenwirkungen einer systemischen CD40-Aktivierung zu vermeiden bzw. zu reduzieren. Zudem stellt der Einsatz von anti-CD20-Flag-CD40L möglicherweise sogar eine Option zur Behandlung maligner B-Zell-Lymphome sowie Rituximab-resistenter Lymphome dar.
CD40-restringierte Aktivierung der TRAIL-Todesrezeptoren durch bifunktionelle rekombinante Proteine
(2014)
Der Ligand TRAIL wurde 1997 aufgrund seiner hohen Sequenzhomolgie ge-genüber dem TNFL CD95L entdeckt (28 %). Allerdings besitzt TRAIL, anders als die Liganden CD95L und TNF, die bemerkenswerte Eigenschaft vor allem in veränderten Zellen Apoptose zu induzieren, während gesunde Zellen davor bewahrt werden. Die TRAIL-induzierte Apoptose wird durch die apoptoseinduzierenden Todesrezeptoren TRAILR1 und TRAILR2 vermittelt. Allerdings bindet und aktiviert lösliches TRAIL hauptsächlich den Todesrezeptor TRAILR1, während membrangebundes TRAIL sowohl TRAILR1 als auch TRAILR2 gut aktiviert. In den letzten Jahren wurden verschiedene Methoden entwickelt, um die Bioaktivität löslicher TNFL zu steigern. Hierzu zählen z.B.: Stabilisierung der trimeren Molekülanordnung über die TNC-Domäne, Oligomerisierung des Flag-getaggten Liganden mithilfe des monoklonalen Antikörpers M2, sowie Generierung einer artifiziellen, antigenabhängigen Membranständigkeit. In dieser Arbeit wurde der Oberflächenrezeptor CD40 zur Immobilisierung des generierten Fusionsproteins scFv:CD40-Flag-TNC-TRAIL genutzt. In verschieden Experimenten konnten mit scFv:CD40-Flag-TNC-TRAIL in CD40-exprimierenden Zellen starke Apoptoseinduktion ermittelt werden. Charakteris-tische Kennzeichen und Spaltprodukte der Apoptose konnten ausschließlich in CD40-positiven Tumorzellen detektiert werden. Dabei wurde in allen Versuchen die für die Apoptoseinduktion benötigte Konzentration des Konstrukts mithilfe des Proteinsyntheseinhibitors CHX um das 10- bis 100-fache verringert. Es konnte auch gezeigt werden, dass in CD40-positiven Zellen, nach Stimulation mit scFv:CD40-Flag-TNC-TRAIL, nicht-apoptotische Signalwege verstärkt aktiviert werden. Dies war auf die agonistische Aktivität des monoklonalen Antikörperfragments scFv:CD40 zurückzuführen. Die Antikörperdomäne war folglich nicht nur zur effizienten Aktivierung der TRAIL-Todesrezeptoren mittels Immobilisierung fähig, sondern konnte zusätzlich zur Stimulation des Immunsystems genutzt werden. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass der lösliche, schwach aktive Ligand TRAIL mittels Oberflächenimmobilisierung über Antigen-Antikörper-Wechselwirkungen in einen hochaktiven Liganden mit lokal begrenzter Toxizität überführt werden kann.
Mithilfe dieses Fusionsproteins ist es somit möglich die selektive Toxizität von TRAIL durch Steigerung seiner Aktivität effizient zu nutzen. Zusätzlich kann durch die Antigenbindung der Wirkungsbereich weiter eingegrenzt werden (CD40-positive Tumoren), wodurch unerwünschte Nebenwirkungen reduziert oder sogar ausgeschaltet werden können. Das in Tumoren oft heruntergefahrene Immunsystem kann CD40-abhängig stimuliert werden, um somit auch Tumorzellen in apoptoseresistenten Stadien zu eliminieren. Basierend auf diesen Ergebnissen können in der Zukunft weitere Studien zur Therapie von TRAIL-resistenten, CD40-exprimierenden Tumoren fortgeführt werden.
Soluble tumor necrosis factor (TNF)-like weak inducer of apoptosis (TWEAK), in contrast to membrane TWEAK and TNF, is only a weak activator of the classical NFκB pathway. We observed that soluble TWEAK was regularly more potent than TNF with respect to the induction of TNF receptor-associated factor 1 (TRAF1), a NFκB-controlled signaling protein involved in the regulation of inflammatory signaling pathways. TNF-induced TRAF1 expression was efficiently blocked by inhibition of the classical NFκB pathway using the IKK2 inhibitor, TPCA1. In contrast, in some cell lines, TWEAK-induced TRAF1 production was only partly inhibited by TPCA1. The NEDD8-activating enzyme inhibitor MLN4924, however, which inhibits classical and alternative NFκB signaling, blocked TNF- and TWEAK-induced TRAF1 expression. This suggests that TRAF1 induction by soluble TWEAK is based on the cooperative activity of the two NFκB signaling pathways. We have previously shown that oligomerization of soluble TWEAK results in ligand complexes with membrane TWEAK-like activity. Oligomerization of soluble TWEAK showed no effect on the dose response of TRAF1 induction, but potentiated the ability of soluble TWEAK to trigger production of the classical NFκB-regulated cytokine IL8. Transfectants expressing soluble TWEAK and membrane TWEAK showed similar induction of TRAF1 while only the membrane TWEAK expressing cells robustly stimulated IL8 production. These data indicate that soluble TWEAK may efficiently induce a distinct subset of the membrane TWEAK-targeted genes and argue again for a crucial role of classical NFκB pathway-independent signaling in TWEAK-induced TRAF1 expression. Other TWEAK targets, which can be equally well induced by soluble and membrane TWEAK, remain to be identified and the relevance of the ability of soluble TWEAK to induce such a distinct subset of membrane TWEAK-targeted genes for TWEAK biology will have to be clarified in future studies.
Simple Summary
Targeting of CD40 with antibodies attracts significant translational interest. While inhibitory CD40 targeting appears particularly attractive in the field of organ transplantation and for the treatment of autoimmune diseases, stimulatory CD40 targeting is the aim in tumor immunotherapy and vaccination against infectious pathogens. It turned out that lack of FcγR-binding is the crucial factor for the development of safe and well-tolerated inhibitory anti-CD40 antibodies. In striking contrast, FcγR-binding is of great importance for the CD40 stimulatory capacity of the majority of anti-CD40 antibodies. Typically, anti-CD40 antibodies only robustly stimulate CD40 when presented by FcγRs. However, FcγR-binding of anti-CD40 antibodies also triggers unwanted activities such as destruction of CD40 expressing cells by ADCC or ADCP. Based on a brief discussion of the mechanisms of CD40 activation, we give an overview of the ongoing activities in the development of anti-CD40 antibodies under special consideration of attempts aimed at the development of anti-CD40 antibodies with FcγR-independent agonism or FcγR subtype selectivity.
Abstract
Inhibitory targeting of the CD40L-CD40 system is a promising therapeutic option in the field of organ transplantation and is also attractive in the treatment of autoimmune diseases. After early complex results with neutralizing CD40L antibodies, it turned out that lack of Fcγ receptor (FcγR)-binding is the crucial factor for the development of safe inhibitory antibodies targeting CD40L or CD40. Indeed, in recent years, blocking CD40 antibodies not interacting with FcγRs, has proven to be well tolerated in clinical studies and has shown initial clinical efficacy. Stimulation of CD40 is also of considerable therapeutic interest, especially in cancer immunotherapy. CD40 can be robustly activated by genetically engineered variants of soluble CD40L but also by anti-CD40 antibodies. However, the development of CD40L-based agonists is biotechnologically and pharmacokinetically challenging, and anti-CD40 antibodies typically display only strong agonism in complex with FcγRs or upon secondary crosslinking. The latter, however, typically results in poorly developable mixtures of molecule species of varying stoichiometry and FcγR-binding by anti-CD40 antibodies can elicit unwanted side effects such as antibody-dependent cellular cytotoxicity (ADCC) or antibody-dependent cellular phagocytosis (ADCP) of CD40 expressing immune cells. Here, we summarize and compare strategies to overcome the unwanted target cell-destroying activity of anti-CD40-FcγR complexes, especially the use of FcγR type-specific mutants and the FcγR-independent cell surface anchoring of bispecific anti-CD40 fusion proteins. Especially, we discuss the therapeutic potential of these strategies in view of the emerging evidence for the dose-limiting activities of systemic CD40 engagement.