610 Medizin und Gesundheit
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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.
Background: Stimulation of CD40 can augment anti-cancer T cell immune responses by triggering effective activation and maturation of antigen-presenting cells (APCs). Although CD40 agonists have clinical activity in humans, the associated systemic activation of the immune system triggers dose-limiting side-effects.
Methods: To increase the tumor selectivity of CD40 agonist-based therapies, we developed an approach in which soluble trimeric CD40L (sCD40L) is genetically fused to tumor targeting antibody fragments, yielding scFv: CD40L fusion proteins. We hypothesized that scFv: CD40L fusion proteins would have reduced CD40 agonist activity similar to sCD40L but will be converted to a highly agonistic membrane CD40L-like form of CD40L upon anchoring to cell surface exposed antigen via the scFv domain.
Results: Targeted delivery of CD40L to the carcinoma marker EpCAM on carcinoma cells induced dose-dependent paracrine maturation of DCs similar to 20-fold more effective than a non-targeted control scFv: CD40L fusion protein. Similarly, targeted delivery of CD40L to the B cell leukemia marker CD20 induced effective paracrine maturation of DCs. Of note, the CD20-selective delivery of CD40L also triggered loss of cell viability in certain B cell leukemic cell lines as a result of CD20-induced apoptosis.
Conclusions: Targeted delivery of CD40L to cancer cells is a promising strategy that may help to trigger cancer-localized activation of CD40 and can be modified to exert additional anti-cancer activity via the targeting domain.
TNF-Liganden liegen primär in membranständiger Form mit trimerer Struktur vor und die meisten von ihnen können sekundär durch Metalloproteasen in lösliche trimere Liganden prozessiert werden. Während membranständige Formen der TNF-Liganden ihre korrespondierenden Rezeptoren aktivieren können, sind die löslichen Varianten einzelner TNF-Liganden unterschiedlich aktiv beziehungsweise inaktiv an den korrespondierenden Rezeptoren, obwohl sie ebenfalls zur Bindung in der Lage sind. Dies konnte bereits in Studien für TNF und TRAIL gezeigt werden. Die Unterschiede zwischen löslichen Varianten und der membranständigen Form des Liganden betreffen sowohl die Rezeptorselektivität als auch den Aktivierungsgrad am Rezeptor bis hin zu völliger Inaktivität der löslichen Form. Unterschiede finden sich jedoch nicht nur hinsichtlich der Aktivität, sondern auch in der Interaktion des Liganden mit dem Rezeptor. Für die membranständige und die lösliche Form von FasL konnten Unterschiede in der Notwendigkeit intrazellulärer Signalmoleküle bei der Ausbildung Ligand-induzierter Rezeptorsignalcluster gezeigt werden. Für die lösliche und membranständige Form des CD40L werden eine unterschiedliche Rezeptorinternalisierung und eine unterschiedliche Rekrutierung von TRAF-Molekülen angenommen. Bisherige Arbeiten zur Untersuchung der Rezeptor-Ligand-Interaktion stützen sich meist auf lösliche Varianten von TNF-Liganden, die durch artifizielle Multimerisierung oder Antikörper-induzierte Quervernetzung sekundär aktiviert werden müssen. Um für die Untersuchung der Rezeptor-Ligand-Interaktion in Zukunft realitätsnähere Bedingungen zu schaffen, sollten im Rahmen dieser Arbeit multifunktionelle Fusionsproteine des membranständigen FasL und CD40L hergestellt und charakterisiert werden. Die Fusionsproteine wurden im Rahmen der Klonierung so konstruiert, dass von der aminoterminalen Seite beginnend eine GST-Domäne, ein Flag-Tag, ein YFP-Tag und abschließend die vollständige membranständige Form des Liganden (FasL oder CD40L) aneinander gefügt wurden. In FACS-Analysen konnte sowohl die Funktion des YFP-Tag als auch die korrekte Expression des Liganden an der Zelloberfläche durch spezifische Antikörperfärbung nachgewiesen werden. Die funktionelle Aktivität der Liganden wurde durch IL-8-Induktion gezeigt, die eine Aktivierung des NFB-Signalweges durch die GST-Fusionsproteine des membranständigen FasL und des membranständigen CD40L beweist. Im Rahmen von Immunopräzipitationen wurde die Möglichkeit der Detektion der Fusionsproteine über ihr Flag-Tag getestet. Für das in GST-pull-down-Assays genauer untersuchte membranständige GST-Flag-YFP-CD40L-Fusionsprotein gelang eine Koimmunopräzipitation mit dem im Rezeptorkomplex gebundenen TRAF2. Für dieses in der Signaltransduktion des CD40 entscheidende Molekül konnte seine transiente Interaktion mit dem Rezeptorsignalkomplex sowie eine Veränderung in der Assoziation an den Rezeptor durch TNF-abhängige TRAF1-Induktion gezeigt werden. Im Zusammenhang der mit der Rezeptoraktivierung oftmals gleichgesetzten Bildung von Rezeptorsignalclustern durch den entsprechenden TNF-Liganden war die Beobachtung interessant, dass das Konstrukt GST-Flag-YFP-CD40L im Gegensatz zum analog konstruierten GST-Flag-YFP-FasL nicht in der Lage war, Signalcluster des korrespondierenden Rezeptors zu erzeugen, aber dennoch fähig war, eine Rezeptoraktivierung zu bewirken. Hinsichtlich der Untersuchung von Unterschieden in der Rezeptor-Ligand-Interaktion von löslichen und membranständigen Formen sind für FasL und CD40L noch viele Fragen offen, die beispielsweise auch die Stabilität von Rezeptorsignalclustern betreffen. Die in dieser Arbeit erzeugten und charakterisierten multifunktionellen Fusionsproteine sollten helfen, neue Erkenntnisse bezüglich der molekularen Grundlagen der Rezeptor-Ligand-Interaktion zu erzielen.