La glicosilación ligada a N es un proceso enzimático por el cual las fracciones de oligosacáridos se unen covalentemente a los residuos de Asn. A diferencia de la síntesis de proteínas de novo, la síntesis de glicanos es una reacción sin plantillas que resulta en una glicosilación heterogénea de las proteínas. La estructura, composición y distribución de los glicanos pueden afectar la conformación y función de las proteínas. De hecho, la N-glicosilación en la región del fragmento cristalizable (Fc) de la inmunoglobulina G (IgG) regula la eficacia terapéutica, la inmunogenicidad y la vida media del anticuerpo1. Como tal, el paradigma de calidad por diseño (QbD) para el desarrollo de productos proteicos bioterapéuticos recombinantes identifica naturalmente la glicosilación como un atributo de calidad crítico (CQA)2,3. Las células de mamíferos son a menudo los sistemas de expresión preferidos, ya que producen inherentemente patrones de glicosilación similares a los humanos más cerca que las bacterias, levaduras, insectos o células vegetales. Además, las células de ovario de hámster chino (CHO) se seleccionan sobre otras líneas celulares de mamíferos porque son resistentes a la infección por virus humanos, secretan productos en títulos altos y se pueden cultivar en cultivo en suspensión a altas densidades celulares viables4. Con respecto a la formación de glicanos, las células de producción murina no CHO generan glicanos inmunogénicos (galactosa ligada a la α(1-3)[α(1-3)-Gal] y ácido N-glicolilneuramínico [NeuGc]) que inciden en el uso seguro de anticuerpos monoclonales (mAbs)5. Estos beneficios convierten a las células CHO en el principal sistema de expresión, responsable de la producción de más del 80% de los nuevos bioterapéuticos entre 2014 y 20186. Sin embargo, la glicosilación independiente de la plantilla es un mecanismo conservado que conduce a la bioterapéutica derivada de CHO con una serie de glicoformas.
Las estrategias de desarrollo bioterapéutico tienen como objetivo controlar la heterogeneidad en las células CHO mediante ingeniería genética. Algunos ejemplos de literatura incluyen la eliminación de sialidasas (Neu1, Neu3)7, GDP-manosa 4,6-deshidratasa (GMD) knockout8, y la sobreexpresión de glicosiltransferasas (GnTIII)9. Los avances en la glicoingeniería son posibles gracias a una combinación de recursos disponibles públicamente, como el genoma CHO10, y el desarrollo continuo de herramientas de ingeniería genética, como las nucleasas efectoras similares a activadores de transcripción (TALEN), las nucleasas de dedos de zinc (ZFN) y la proteína 9 asociada a repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas (CRISPR)11,12,13,14 . Estas herramientas generalmente se administran a las células CHO como ADN plásmido o como complejos de ribonucleoproteína purificada (RNP). Por el contrario, la interferencia de ARN (ARNi) es una tecnología de ingeniería genética que, en su forma más simple, solo requiere la entrega de oligonucleótidos de ARN interferente corto (siRNA) purificados. Las proteínas endógenas procesan el siRNA de doble cadena en hebras simples, y la nucleasa, el complejo silenciador inducido por ARN (RISC), forma un complejo con siRNA para escindir secuencias de ARNm objetivo 15,16,17. El silenciamiento de genes a través de este método es transitorio debido a la inestabilidad del ARN, pero la investigación aquí aprovecha esta característica para ayudar a la detección rápida.
La enzima modelo seleccionada para el estudio actual, la α1,6-fucosiltransferasa (FUT8), produce N-glicanos con L-fucosa ligada al núcleo α-1,6 (Fuc). Esta modificación es un determinante primario de la actividad de la citotoxicidad celular dependiente de anticuerpos (ADCC), como lo demuestran los estudios de anticuerpos comerciales. En ausencia de fucosilación central, Rituximab (anti-CD20 IgG1) aumenta ADCC 50 veces y aumenta ADCC en Trastuzumab (anti-Her2 IgG1) al mejorar la unión a FcgRIIIa18,19. Por lo tanto, la fucosilación del núcleo se considera una característica indeseable de los mAbs que justifica los esfuerzos para revertir este fenotipo. Hay ejemplos de dianas exitosas del gen Fut8 utilizando siRNA con aumentos concomitantes en ADCC 20,21,22, aunque estos ejemplos entregan siRNA Fut8 codificado en ADN plásmido. Tales experimentos generan silenciamiento génico estable, ya que el ADN plásmido sirve como plantilla para la síntesis de siRNA. Esto permite a las células reponer las moléculas de siRNA que son degradadas por las RNasas intracelulares y las fosfatasas. Por el contrario, la entrega de siRNA sintético exógeno solo permite el silenciamiento génico transitorio, ya que el siRNA no se puede reponer debido a la falta de una plantilla intracelular. Por lo tanto, los usuarios deben considerar si los diseños experimentales son compatibles con el siRNA sintético o derivado de plásmidos. Por ejemplo, los estudios centrados en el pico de producción de mAb, típicamente el sexto día del cultivo23,24, pueden optar por siRNA sintético que se puede administrar a las células unos días antes de la expresión máxima. Los beneficios de un enfoque transitorio que utiliza siRNA sintético incluyen la capacidad de externalizar la producción y el hecho de que se pueden generar múltiples construcciones de siRNA en una fracción del tiempo necesario para generar construcciones en plásmidos. Además, el siRNA sintético es eficaz, como lo demuestran los ejemplos bibliográficos de silenciamiento del gen Fut8 que son suficientes para reducir la expresión de la proteína FUT825 y producir IgGs afucosiladas con mayor unión a FCgRIIIa y ADCC26.
El éxito de este protocolo de gliconingeniería fue determinado por el grado de glicosilación Fc. La espectrometría de masas es normalmente el método de elección para los análisis glucómicos; sin embargo, la electroforesis capilar en gel y la detección de fluorescencia inducida por láser (CGE-LIF) son perfectamente susceptibles de resolver el glicoperfil de igG purificados y tienen la ventaja de una mayor rapidez y simplicidad. Los protocolos de espectrometría de masas deben combinar los métodos cromatográficos y de derivatización adecuados, las fuentes de ionización y los analizadores de masas 27,28,29. Además de requerir un especialista capacitado, los protocolos de espectrometría de masas son largos y la diversidad de métodos hace que los datos sean difíciles de comparar entre laboratorios con diferentes configuraciones. En el contexto de los productos biofarmacéuticos, CGE-LIF es un método sensible que puede proporcionar suficientes detalles de un glicoperfil de anticuerpos y es fácilmente escalable para métodos de alto rendimiento. Para mezclas de baja abundancia y altamente complejas con glicoproteínas mal caracterizadas, las ventajas de la espectrometría de masas podrían permanecer. Sin embargo, el análisis de mAb de alta resolución y alta sensibilidad que ofrece el análisis de N-glicano basado en CGE-LIF sirve como justificación para probar este método. Además, la preparación y el análisis de la muestra se completan en solo unas pocas horas30. Estudios recientes han demostrado que CGE-LIF se puede utilizar para monitorear glicanos derivados de plasma humano31, ratón32 y CHO IgGs33. Estos estudios destacan el uso de CGE-LIF para el análisis de muestras de alto rendimiento y pequeños volúmenes de muestras.
El método CGE-LIF tiene limitaciones que deben tenerse en cuenta. El costo es una barrera significativa para el uso de este y otros dispositivos para el análisis de glicanos. Sin embargo, estos costos son típicos dentro del campo, y se cree que CGE-LIF es una opción rentable34. Los laboratorios con presupuestos más pequeños pueden encontrar más práctico arrendar maquinaria o subcontratar el análisis de muestras. Otra consideración de cualquier método analítico es la repetibilidad. La evaluación de CGE-LIF se realizó utilizando 48 réplicas de la misma muestra que se ensayaron en diferentes días. La desviación estándar relativa por capilar se determinó para la repetibilidad intrabatch e interbatch. Se encontró que la comparación intrabatch de réplicas tenía una desviación estándar relativa de 6.2%, lo que indica que el rendimiento capilar no es uniforme. Además, una comparación de los datos de entrelazado mostró una desviación estándar relativa del 15,8%31, lo que indica que el rendimiento capilar cambia con el tiempo. Las deficiencias operativas identificadas pueden no aplicarse en el presente estudio, que utiliza diferentes maquinarias y reactivos patentados. Si los usuarios tienen la intención de desarrollar un protocolo interno, valdría la pena considerar el estudio de Ruhaak et al. 31, que evaluó cuidadosamente los reactivos para CGE-LIF. Como tal, se han optimizado los reactivos para inyección de muestra (Hi-Di Formamida y DMSO), etiquetado de glicanos (NaBH3CN o 2 picoline borane)31 y otros.
Este estudio presenta un protocolo de glicoingeniería eficiente en el tiempo que combina la rapidez del ARNi directo con el análisis glucómico aguas abajo. La metodología se ilustra utilizando el gen Fut8 como objetivo por las razones descritas anteriormente.