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Many new immunotherapeutic approaches aim on the stimulatory targeting of receptors of the tumor necrosis factor (TNF) receptor superfamily (TNFRSF) using antibodies with intrinsic or conditional agonism. There is an initial need to characterize corresponding TNFRSF receptor (TNFR)-targeting antibodies with respect to affinity, ligand binding, receptor activation and the epitope recognized. Here, we report a collection of simple and matched protocols enabling the detailed investigation of these aspects by help of Gaussia princeps luciferase (GpL) fusion proteins and analysis of interleukin-8 (IL8) production as an easily measurable readout of TNFR activation. In a first step, the antibodies and antibody variants of interest are transiently expressed in human embryonal kidney 293 cells, either in non-modified form or as fusion proteins with GpL as a reporter domain. The supernatants containing the antibody-GpL fusion proteins can then be used without further purification in cell-free and/or cellular binding studies to determine affinity. Similarly, binding studies with mutated TNFR variants enable the characterization of the antibody binding site within the TNFR ectodomain. Furthermore, in cellular binding studies with GpL fusion proteins of soluble TNFL molecules, the ability of the non-modified antibody variants to interfere with TNFL-TNFR interaction can be analyzed. Last but not least, we describe a protocol to determine the intrinsic and the Fc gamma receptor (FcγR)-dependent agonism of anti-TNFR antibodies which exploits i) the capability of TNFRs to trigger IL8 production in tumor cell lines lacking expression of FcγRs and ii) vector- and FcγR-transfected cells, which produce no or only very low amounts of human IL8. The presented protocols only require standard molecular biological equipment, eukaryotic cell culture and plate readers for the quantification of luminescent and colorimetric signals.
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.
Primary prevention strategies, such as vaccinations at the age extremes, in neonates and elderly individuals, demonstrate a challenge to health professionals and public health specialists. The aspects of the differentiation and maturation of the adaptive immune system, the functional implications of immunological immaturity or immunosenescence and its impact on vaccine immunogenicity and efficacy will be highlighted in this review. Several approaches have been undertaken to promote Th1 responses in neonates and to enhance immune functions in elderly, such as conjugation to carrier proteins, addition of adjuvants, concomitant vaccination with other vaccines, change in antigen concentrations or dose intervals or use of different administration routes. Also, early protection by maternal vaccination seems to be beneficial in neonates. However, it also appears necessary to think of other end points than antibody concentrations to assess vaccine efficacy in neonates or elderly, as also the cellular immune response may be impaired by the mechanisms of immaturity, underlying health conditions, immunosuppressive treatments or immunosenescence. Thus, lifespan vaccine programs should be implemented to all individuals on a population level not only to improve herd protection and to maintain protective antibody levels and immune memory, but also to cover all age groups, to protect unvaccinated elderly persons and to provide indirect protection for neonates and small infants.
Bei agonistischen Antikörpern gegen Rezeptoren der TNFRSF reicht eine einfache Bindung der Antikörper an die Rezeptoren oft nicht aus, um ein intrazelluläres Signal zu erzeugen. Es konnte herausgefunden werden, dass die Verankerung der Antikörper über ihren Fc-Anteil an Fc gamma Rezeptoren ihre Fähigkeit zur agonistischen Aktivierung der TNFR extrem steigert. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, ob die Verankerung über andere Rezeptoren möglich ist. Mit scFv:CD70 als Beispiel, konnte diese Frage positiv beantwortet werden.
Um eine Signaltransduktion mittels agnostischer Antikörper an Rezeptoren der TNFRSF zu bewirken, ist eine vorherige Immobilisation über des Fc Anteil des Antikörpers Grundvorraussetzung. In dieser Arbeit sollte die Möglichkeit der Verankerung über eine andere Bindungsdomäne untersucht werden. Es konnte gezeigt werden, dass eine Immobilisation mittels scFv:CD70 zu einer starken Signalaktivierung führt.
Der Granulozyten-Makrophagen Kolonie-stimulierende Faktor (GM-CSF) spielt eine zentrale Rolle in entzündlichen Prozessen. Die Behandlung mit Antikörpern, die murines GM-CSF neutralisieren, zeigte signifikante Behandlungseffekte in Maus-Modellen für Rheumatoide Arthritis, Autoimmune Enzephalomyelitis, entzündliche Erkrankungen der Lunge und Psoriasis. Diese Arbeit beschreibt die Generierung des ersten vollständig humanen Einzelketten (scFv)-Antikörpers, der effektiv humanes GM-CSF (hGM-CSF) neutralisiert. Dieser humane scFv-Antikörper wurde mit Hilfe der Phage-Display-Technologie, ausgehend von einem monoklonalen Ratten-Antikörper mit hGM-CSF-neutralisierender Aktivität, konstruiert. In einem ersten Schritt wurde die VH-Domäne des parentalen Ratten-Antikörpers mit einem humanen leichte Ketten V-Repertoire kombiniert. Nach Phage-Display-Selektion wurde ein dominanter Klon identifiziert, der für ein chimäres Ratte/Human scFv-Fragment kodiert. Dieser scFv-Antikörper neutralisiert hGM-CSF mit einer halbmaximalen inhibitorischen Konzentration (IC50) im nanomolaren Bereich. Die humane leichte Kette dieses Klons wurde dann mit einem humanen schwere Ketten V-Repertoire kombiniert. Um die Bindungsspezifität des Ursprungsantikörpers für den neutralisierenden Bereich auf dem Antigen zu erhalten, enthielt dieses Repertoire die Komplementaritäts-bestimmende Region 3 (CDR3) der parentalen VH-Domäne. Nach Phage-Display-Selektion wurden mehrere scFv-Antikörper identifiziert, die hGM-CSF im niedrig nanomolaren Konzentrationsbereich neutralisierten. Das scFv-Fragment mit der höchsten hGM-CSF-neutralisierenden Aktivität (3077) wurde in verschiedene therapeutisch relevante Antikörperformate überführt. Zum einen wurde das scFv-Fragment über einen zusätzlichen C-terminalen Cystein-Rest an ein verzweigtes, 40 kD-grosses Polyethylenglycol (PEG) –Polymer konjugiert. Zum anderen wurde das scFv-Fragment durch Fusion mit humanen konstanten Immunglobulin-Domänen zu einem ganzen IgG1/kappa-Antikörper vervollständigt. Die so generierten Konstrukte mit identischer Spezifität wurden dann in vitro im Hinblick auf Bindungsaffinität, Neutralisierungsaktivität und Stabilität untersucht. Die Konjugation des PEG-Polymers hatte einen vernachlässigbaren Effekt auf das Neutralisierungspotential des scFv-Fragments in vitro, obwohl sie aufgrund einer verlangsamten Assoziationsrate eine reduzierte Bindungsaffinität verursachte. Der humane IgG1-Antikörper zeigte sowohl eine verbesserte Bindungsaffinität als auch eine erhöhte Neutralisierungsaktivität im Vergleich zum nicht-PEGylierten wie auch zum PEGylierten scFv-Fragment. Wir konnten außerdem zeigen, dass die PEGylierung in der thermischen Stabilität des scFv-Antikörpers einen deutlichen Anstieg um 10°C vermittelte. Aufgrund der hohen Neutralisierungsaktivität und Stabilität des IgG1-Antikörpers 3077 wie auch des PEGylierten scFv-Fragments 3077 sind beide Moleküle - in unterschiedlichen klinischen Anwendungsbereichen - potentielle Kandidaten für eine Behandlung humaner entzündlicher Erkrankungen.
Antibody against tubulin from porcine brain was used to evaluate the immunological cross reactivity of tubulin from a variety of animal and plant cells. Indirect immunofluorescence microscopy revealed microtubule-containing structures including cytoplasmic microtubules, spindle microtubules, cilia and fIagella. Thus tubulin from diverse species of both mammals and plants show immunological cross-reactivity with tubulin from porcine brain. Results obtained by immunofluorescence microscopy are whenever possible compared with previously known ultrastructural results obtained by electron microscopy.
Immune-mediated polyneuropathies like chronic inflammatory demyelinating polyradiculoneuropathy or Guillain-Barré syndrome are rare diseases of the peripheral nervous system. A subgroup of patients harbors autoantibodies against nodal or paranodal antigens, associated with a distinct phenotype and treatment response. In a part of patients with pathologic paranodal or nodal immunoreactivity the autoantigens remain difficult or impossible to determine owing to limitations of the used detection approach - usually ELISAs (enzyme-linked-immunosorbent-assays) - and incomplete knowledge of the possible autoantigens. Due to their high-throughput, low sample consumption and high sensitivity as well as the possibility to display many putative nodal and paranodal autoantigens simultaneously, peptide microarray-based approaches are prime candidates for the discovery of novel autoantigens, point-of-care diagnostics and, in addition, monitoring of pathologic autoimmune response. Current applications of peptide microarrays are however limited by high false-positive rates and the associated need for detailed follow-up studies and validation. Here, robust peptide microarray-based detection of antibodies and the efficient validation of binding signals by on-chip neutralization is demonstrated. First, autoantigens were displayed as overlapping peptide libraries in microarray format. Copies of the biochips were used for the fine mapping of antibody epitopes. Next, binding signals were validated by antibody neutralization in solution. Since neutralizing peptides are obtained in the process of microarray fabrications, neither throughput nor costs are significantly altered. Similar in-situ validation approaches could contribute to future autoantibody characterization and detection methods as well as to therapeutic research. Areas of application could be expanded to any autoimmune-mediated neurological disease as a long-term vision.
Tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) and its death receptors TRAILR1/death receptor 4 (DR4) and TRAILR2/DR5 trigger cell death in many cancer cells but rarely exert cytotoxic activity on non-transformed cells. Against this background, a variety of recombinant TRAIL variants and anti-TRAIL death receptor antibodies have been developed and tested in preclinical and clinical studies. Despite promising results from mice tumor models, TRAIL death receptor targeting has failed so far in clinical studies to show satisfying anti-tumor efficacy. These disappointing results can largely be explained by two issues: First, tumor cells can acquire TRAIL resistance by several mechanisms defining a need for combination therapies with appropriate sensitizing drugs. Second, there is now growing preclinical evidence that soluble TRAIL variants but also bivalent anti-TRAIL death receptor antibodies typically require oligomerization or plasma membrane anchoring to achieve maximum activity. This review discusses the need for oligomerization and plasma membrane attachment for the activity of TRAIL death receptor agonists in view of what is known about the molecular mechanisms of how TRAIL death receptors trigger intracellular cell death signaling. In particular, it will be highlighted which consequences this has for the development of next generation TRAIL death receptor agonists and their potential clinical application.
Tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) and its death receptors TRAILR1/death receptor 4 (DR4) and TRAILR2/DR5 trigger cell death in many cancer cells but rarely exert cytotoxic activity on non-transformed cells. Against this background, a variety of recombinant TRAIL variants and anti-TRAIL death receptor antibodies have been developed and tested in preclinical and clinical studies. Despite promising results from mice tumor models, TRAIL death receptor targeting has failed so far in clinical studies to show satisfying anti-tumor efficacy. These disappointing results can largely be explained by two issues: First, tumor cells can acquire TRAIL resistance by several mechanisms defining a need for combination therapies with appropriate sensitizing drugs. Second, there is now growing preclinical evidence that soluble TRAIL variants but also bivalent anti-TRAIL death receptor antibodies typically require oligomerization or plasma membrane anchoring to achieve maximum activity. This review discusses the need for oligomerization and plasma membrane attachment for the activity of TRAIL death receptor agonists in view of what is known about the molecular mechanisms of how TRAIL death receptors trigger intracellular cell death signaling. In particular, it will be highlighted which consequences this has for the development of next generation TRAIL death receptor agonists and their potential clinical application.