Science先進技術揭示治療性單克隆抗體與CD20分子相互作用機制

來源：作者：人氣：-發表時間：2025-01-15 14:06:00【大中小】

摘要：在慢性淋巴細胞性白血病等血癌中，免疫系統的B細胞不受控制地繁殖。

近日，德國維爾茨堡大學生物中心生物技術與生物物理學系的研究人員在Science期刊上發表了一篇具有重要意義的論文，這項工作由歐洲研究委員會、德國聯邦教育和研究部以及德國研究基金會資助。該研究聚焦于治療性單克隆抗體（mAbs）與CD20分子之間的相互作用機制。這項研究不僅為理解mAbs如何激活免疫系統以殺死B細胞提供了關鍵的分子層面見解，還可能對改進現有mAbs藥物的設計和開發產生深遠影響。

圖1 用快速體積納米顯微鏡解碼CD20和治療性抗體的分子相互作用

背景

在過去30年里，治療性單克隆抗體作為抗癌藥物取得了巨大成功。它們通過特異性結合目標抗原來誘導細胞毒性，促進免疫反應，如抗體依賴性細胞毒性（ADCC）和補體依賴性細胞毒性（CDC）。CD20是一種在大多數B細胞表面表達的受體，利妥昔單抗（RTX）是首個獲批的抗CD20治療性mAb，用于治療B細胞惡性腫瘤和自身免疫性疾病。此外，還有人源化mAb奧法木單抗（OFA）和奧濱尤妥珠單抗（OBZ）等。這些mAbs與B細胞結合后，會改變CD20在膜上的納米尺度組織，激活細胞毒性途徑。然而，目前對于mAbs的結合機制以及結合誘導的內源性CD20在膜上的重組如何激活免疫系統殺死B細胞的分子細節知之甚少。早期有跡象表明CD20可被RTX串聯，但相關實驗是在非生理條件下進行的體外實驗。為了破解B細胞上內源性CD20與治療性mAbs之間的分子相互作用，需要能夠提供高時空分辨率的三維（3D）體積超分辨率熒光成像方法。

JMU生物中心的Markus Sauer教授說：“在慢性淋巴細胞白血病等血癌中，免疫系統的B細胞不受控制地繁殖。一種治療方法是用定制抗體在B細胞表面標記CD20蛋白。這會引發一系列的免疫反應，最終導致癌細胞的毀滅。這種免疫治療抗體已經用于治療腫瘤疾病30年了。盡管這對治療的成功至關重要，但我們仍然對抗體如何與CD20結合以及隨后的反應如何發生的細節知之甚少。”

追蹤抗體有效性

這種情況現在可能會改變：由JMU生物物理學家領導的一個團隊開發了一種新的超分辨率顯微方法。這使得首次在具有分子分辨率的3D中研究治療性抗體與腫瘤細胞靶分子的相互作用成為可能。Markus Sauer說：“我們現在可以觀察到抗體的工作效率，從而為改進治療方法的發展做出貢獻。”這種新的顯微方法被稱為LLS-TDI-DNA-PAINT。在科學雜志《Science》上，第一作者Arindam Ghosh博士和Markus Sauer的主席團隊描述了新開發的技術如何工作，以及已經獲得的發現。來自維爾茨堡大學附屬醫院第二醫學診所的Thomas Nerreter博士和Martin kort教授也參與了這項研究。

材料方法與關鍵技術路線

研究人員引入了一種速度優化的基于DNA的點累積成像納米拓撲（DNA-PAINT）變體。其核心思想是利用常規的DNA-PAINT成像器，這些成像器末端標記有兩個相同的熒光團，在未結合狀態下形成非熒光H-二聚體。這使得能夠使用更高濃度的成像器，從而比經典DNA-PAINT實現約15倍更快的二維（2D）成像。為了實現快速的全細胞三維成像，研究人員將雙染料成像器DNA-PAINT（TDI-DNA-PAINT）與晶格光片（LLS）顯微鏡相結合。此外，他們還利用LLS成像技術來闡明mAbs與CD20在活B細胞中實時的結合相互作用，實現了四維成像。

圖2 CD20和治療性單克隆抗體的分子相互作用

研究結果

mAb-CD20復合物分布成像

通過應用二維TDI-DNA-PAINT，研究人員對貼壁B細胞基底膜上的mAb-CD20復合物分布進行了成像，識別出由微絨毛聚集的CD20受體串聯形成的絲狀排列，這些受體夾在細胞和蓋玻片之間。為了避免表面誘導的偽影，他們使用三維LLS TDI-DNA-PAINT驗證了結果。由于TDI-DNA-PAINT允許使用顯著更高濃度的成像探針，全細胞成像僅需幾小時即可完成。

mAbs對CD20的交聯作用

研究發現，CD20不僅被I型mAbs RTX和OFA交聯，而且在較高濃度下也被II型mAb OBZ交聯，從而推翻了目前對治療性mAbs的分類。此外，研究人員還證明了I型和II型mAbs都能誘導B細胞極化，并使CD20在微絨毛上積累，這些微絨毛通過mAbs的結合和串聯得以穩定，且不同mAbs的結合和串聯效率不同。

結論與討論

本研究通過TDI-DNA-PAINT技術，結合LLS顯微鏡實現了快速全細胞成像，清晰地揭示了B細胞上內源性CD20與三種不同治療性mAbs之間的分子相互作用。研究人員明確識別出I型和II型mAbs都能交聯并串聯CD20，形成不同幾何形狀的復合物，這無疑表明目前的mAbs分類是站不住腳的。鑒于CD20在微絨毛上強烈表達，且mAb結合會導致細胞突起處Fc片段局部高濃度聚集，可以推測這些CD20-mAb寡聚結構會激活補體系統。活細胞成像顯示，在I型和II型mAb結合下，B細胞以濃度依賴性方式發生極化，細胞一側出現穩定的微絨毛突起，且微絨毛的突起長度也受到所用mAb濃度的強烈控制。這些類似“刺猬”的細胞可能會很好地觸發巨噬細胞和自然殺傷細胞。

這項研究的重要性在于，它不僅為理解治療性mAbs的作用機制提供了新的視角，還可能為開發更有效的mAbs藥物提供理論依據。通過深入了解mAbs與CD20的相互作用細節，未來有望設計出更具針對性、更高效的治療方案，以更好地利用人體自身的免疫系統來對抗B細胞相關的疾病，這對于提高患者的治療效果和生存率具有重大意義。

接下來會發生什么？Arindam Ghosh博士說，以前將治療性抗體分為I型和II型的做法不能再維持下去了。到目前為止，研究已經假設I型治療性抗體的作用機制與II型抗體不同。然而，新研究反駁了這一點。JMU的研究人員說：“刺猬的形狀使B細胞看起來好像它們想與另一個細胞形成免疫突觸。”可以想象，經過處理的B細胞以這種方式激活免疫系統的巨噬細胞和自然殺傷細胞。研究小組現在將在進一步的研究中澄清這一假設是否正確。

參考資料

[1] Decoding the molecular interplay of CD20 and therapeutic antibodies with fast volumetric nanoscopy