Knobs-into-Holes Engineering Enables Assembly of Bispecific Anti-HER2/Anti-HER3 Antibodies in Transient Plant Expression System

Il trattamento del cancro si basa spesso sugli anticorpi, che sono proteine a forma di Y che agiscono come chiavi altamente specifiche. Queste chiavi sono progettate per incastrarsi nelle serrature presenti sulla superficie delle cellule cancerose, bloccando i segnali che dicono al tumore di crescere o sopravvivere. Per anni, gli scienziati si sono concentrati sulla creazione di anticorpi che bersaglino un solo tipo di serratura. Tuttavia, le cellule cancerose sono astute; possono spesso trovare modi per aggirare un singolo blocco, portando al fallimento del trattamento. Per risolvere questo problema, i ricercatori stanno ora cercando di costruire anticorpi "bispecifici". Questi sono molecole ingegnerizzate che possono afferrare due diverse serrature contemporaneamente, bloccando efficacemente le linee di comunicazione della cellula cancerosa in due punti in un colpo solo. Sebbene questo approccio sia molto promettente, la produzione di queste molecole complesse è difficile. Nella produzione tradizionale, le parti dell'anticorpo spesso si mescolano, incastrandosi in combinazioni errate e creando prodotti inutili.

Un team di ricercatori dell'Università Chung-Ang e dei suoi collaboratori ha trovato un nuovo modo per costruire queste chiavi a doppio bersaglio utilizzando le piante. Si sono concentrati su due serrature specifiche presenti in alcuni tumori al seno, note come HER2 e HER3. Quando queste due serrature uniscono le forze, inviano un segolo potente che aiuta il cancro a crescere e a resistere ai trattamenti standard. Gli scienziati volevano creare un singolo anticorpo che potesse legarsi sia a HER2 che a HER3 simultaneamente. Per farlo, si sono rivolti a un metodo chiamato ingegneria "Knobs-into-Holes" (pomelli e buchi). Immaginate di cercare di incastrare due pezzi di un puzzle; se entrambi i pezzi hanno la stessa forma, potrebbero incastrarsi con una copia di se stessi invece che con il partner previsto. I ricercatori hanno modificato le parti dell'anticorpo in modo che un lato avesse un "pomello" sporgente e l'altro un "buco" corrispondente. Questo design costringe le due diverse catene dell'anticorpo a accoppiarsi correttamente, impedendo loro di raggrupparsi con il proprio genere.

Il team ha introdotto le istruzioni genetiche per queste parti di anticorpi modificate in un comune batterio del suolo chiamato Agrobacterium. Hanno poi utilizzato questo batterio per consegnare le istruzioni direttamente nelle foglie di una pianta chiamata Nicotiana benthamiana, una parente della pianta del tabacco spesso usata nella ricerca. Questo processo, noto come espressione transitoria, permette alle cellule vegetali di agire temporaneamente come piccole fabbriche, leggendo il DNA e producendo la proteina. I ricercatori hanno testato diverse miscele delle due istruzioni degli anticorpi per vedere quale rapporto producesse i risultati migliori. Hanno scoperto che, quando mescolavano le istruzioni in una specifica proporzione, le cellule vegetali assemblavano con successo il complesso anticorpo a doppio bersaglio. Al settimo giorno dall'iniezione, la produzione della proteina era al suo picco.

Per confermare che la pianta avesse effettivamente prodotto l'anticorpo corretto, gli scienziati hanno estratto le proteine dalle foglie e le hanno analizzate. Hanno utilizzato una tecnica che separa le proteine in base alla dimensione, la quale ha mostrato che la pianta aveva prodotto una molecola con il peso esatto previsto per un anticorpo correttamente accoppiato. Questa molecola era più pesante di una singola parte di anticorpo ma più leggera di due anticorpi separati attaccati insieme, provando che le due diverse catene si erano unite per formare una struttura singola e unificata. Il team ha poi purificato l'anticorpo dalla linfa della pianta utilizzando una colonna che agisce come un magnete per questo specifico tipo di proteina. Il prodotto finale era pulito e pronto per i test.

I ricercatori hanno poi controllato se il loro anticorpo prodotto dalle piante potesse effettivamente svolgere il suo compito. Hanno messo l'anticorpo in contatto con campioni contenenti la proteina HER2 e la proteina HER3. I test hanno mostrato che l'anticorpo ha afferrato con successo entrambi i bersagli. Si è legato fortemente a HER3 e ha mantenuto la presa su HER2, confermando che la molecola manteneva la sua capacità di riconoscere entrambi i bersaggi del cancro nonostante la complessa ingegneria richiesta per costruirla. Per capire perché l'anticorpo rimanesse così ben unito, il team ha utilizzato simulazioni al computer per modellare la struttura della molecola. Queste simulazioni hanno mostrato che il design "pomello e buco" creava una connessione stabile che era molto più forte delle connessioni formate dalle parti non modificate. I modelli informatici suggerivano che questo accoppiamento specifico fosse energeticamente favorevole, il che significa che le due parti volevano naturalmente stare insieme nel modo in cui gli scienziati avevano inteso.

Questo studio dimostra che le piante possono essere utilizzate come fabbriche efficienti per produrre questi complessi anticorpi "due in uno". Combinando la strategia "Knobs-into-Holes" con la produzione basata sulle piante, i ricercatori sono stati in grado di superare il comune problema del mescolamento errato delle parti. I risultati suggeriscono che questo metodo possa essere una via percorribile per la creazione di nuovi trattamenti contro il cancro che siano sia efficaci che potenzialmente meno costosi da produrre rispetto a quelli realizzati in cellule animali. Il lavoro conferma che il sistema vegetale può gestire l'intricata attività di assemblaggio di un anticorpo bispecifico, aprendo la porta a futuri sviluppi nei medicinali prodotti dalle piante.