Le terapie di blocco dei checkpoint immunitari, in particolare quelle mirate alla morte cellulare programmata-1 (PD-1) e al ligando 1 della morte cellulare programmata (PD-L1), sono all'avanguardia nelle strategie di immunoterapia del cancro. Le terapie anti-PD-1/PD-L1 hanno ricevuto l'approvazione per l'uso in vari tipi di cancro, come i tumori ematologici, cutanei, polmonari, epatici, della vescica urinaria e renali1. PD-1 è una glicoproteina transmembrana appartenente alla superfamiglia delle immunoglobuline, caratterizzata da un singolo dominio immunoglobulina variabile (IgV) al N-terminale, un gambo di circa 20 amminoacidi che separa il dominio IgV dalla membrana plasmatica, un dominio transmembrana e una coda citoplasmatica contenente motivi di segnalazione a base di tirosina2. PD-L1, identificata come uno dei ligandi per PD-1, è una proteina transmembrana di tipo I caratterizzata da una regione transmembrana, due domini extracellulari - costante delle immunoglobuline (IgC) e IgV - e un dominio citoplasmatico relativamente corto che innesca le vie di segnalazione intracellulare3. La via inibitoria PD-1/PD-L1 funge da checkpoint immunitario critico che regola l'attivazione delle cellule T e l'autoimmunità4. PD-1 è espresso sulle cellule T, dove interagisce con PD-L1, inibisce la segnalazione del recettore delle cellule T e blocca la stimolazione delle molecole CD28 e CD80 sulle cellule presentanti l'antigene e sulle cellule T5. I tessuti tumorali sfruttano questo meccanismo fisiologico sovraesprimendo PD-L1 durante la fase di fuga, creando così un ambiente immunosoppressivo che promuove la crescita e la progressione del tumore6. Gli inibitori di PD-1 e PD-L1 interrompono questa interazione, consentendo al sistema immunitario di eludere la soppressione indotta dal tumore e di riavviare il processo di morte delle cellule tumorali mediato dalle cellule T7.
Basandosi sul ruolo di primo piano delle terapie di blocco dei checkpoint immunitari, lo sviluppo degli inibitori PD-1/PD-L1 ha segnato un progresso significativo nell'immunoterapia del cancro. La Food and Drug Administration (FDA) degli Stati Uniti ha approvato nove inibitori del checkpoint immunitario che mirano specificamente alla via PD-1/PD-L1. Questi includono sei inibitori PD-1 - pembrolizumab, dostarlimab, nivolumab, cemiplimab, oripalimab e tislelizumab - e tre inibitori PD-L1 - atezolizumab, avelumab e durvalumab 8,9. Queste terapie sono state efficacemente utilizzate per trattare una varietà di tumori, come il melanoma, il cancro ai polmoni, il cancro uroteliale, il cancro cervicale, il cancro gastrico o gastroesofageo e altri tumori solidi10. Nonostante la loro efficacia, le terapie a base di anticorpi monoclonali devono affrontare limitazioni significative, tra cui bassi tassi di risposta, costi elevati, emivite prolungate, gravi eventi avversi immuno-correlati e restrizioni alla somministrazione endovenosa o sottocutanea 11,12,13. Di conseguenza, la ricerca è sempre più focalizzata sullo sviluppo di inibitori di piccole molecole che hanno come bersaglio l'asse PD-1/PD-L1. Queste piccole molecole offrono vantaggi distinti, come una migliore penetrazione cellulare, la modulazione di diversi bersagli biologici, una maggiore biodisponibilità orale e costi ridotti, con l'obiettivo di ottenere risultati terapeutici comparabili con meno effetti avversi14. Tuttavia, lo sviluppo di inibitori di piccole molecole che hanno come bersaglio l'interazione PD-1/PD-L1 è nelle sue fasi iniziali, principalmente a causa della mancanza di una piattaforma di screening affidabile ad alto rendimento. Tali piattaforme sono essenziali per valutare rapidamente vaste librerie di piccole molecole e identificare composti guida per un'ulteriore convalida e ottimizzazione. Superare questa sfida è fondamentale per far progredire l'immunoterapia del cancro.
La tecnologia di risonanza plasmonica di superficie (SPR) è ampiamente impiegata nel rilevamento di varie biomolecole, tra cui antigeni anticorpali, enzimi, acidi nucleici e farmaci, ed è particolarmente efficace nello screening di farmaci di piccole molecole15,16. A differenza di altre tecniche biofisiche, SPR offre un rilevamento senza marcatura, dati cinetici in tempo reale e un ampio intervallo di rilevamento. Al contrario, la calorimetria a titolazione isotermica non dispone di informazioni cinetiche in tempo reale e richiede volumi di campione maggiori, limitando la produttività. La termoforesi su microscala è soggetta a interferenze tampone e non è in grado di fornire dati cinetici, mentre l'interferometria a biostrati presenta limitazioni specifiche per l'applicazione in base alle dimensioni e alle proprietà molecolari. La fluorescenza omogenea risolta nel tempo richiede la marcatura ed è suscettibile alle interferenze fluorescenti. Riconosciamo che l'HTRF è un'altra tecnologia adatta per esplorare gli inibitori di PD-1/PD-L1. Una limitazione intrinseca dell'HTRF, rispetto all'SPR, è l'estinzione della fluorescenza causata da interazioni esterne con il processo di eccitazione intramolecolare (ad esempio, trasferimento di elettroni, FRET e sbiancamento), la sensibilità è troppo bassa nel processo di screening dei farmaci a causa del piccolo intervallo di finestre e l'interferenza di composti di librerie fluorescenti o proteine biologiche17. Queste caratteristiche posizionano l'SPR come uno strumento superiore per la scoperta di farmaci. I nostri studi precedenti hanno dimostrato che l'SPR è in grado di determinare l'effetto di blocco di piccole molecole contro PD-1/PD-L1, il che è vantaggioso rispetto ad altre tecniche che richiedono elevati requisiti di tecnologia di etichettatura, passaggi multipli, scarsa specificità e costi elevati nel processo di scoperta di farmaci18.
Questo studio introduce una piattaforma ottimizzata basata su SPR, che integra un processo di accoppiamento a doppia fase che utilizza sia l'accoppiamento amminico che quello bio-streptavidina per migliorare l'orientamento di PD-1 sul chip e ridurre al minimo l'uso di proteine. Questo approccio aggiornato è stato convalidato con successo utilizzando l'inibitore PD-1/PD-L1 BMS-1166 come legante di controllo positivo, dimostrando effetti di blocco paragonabili sia al nostro precedente metodo SPR che ad altre tecniche consolidate come ELISA19,20. Questo non solo conferma l'affidabilità e la riproducibilità del nostro protocollo, ma illustra anche l'efficacia della nostra piattaforma modificata nel facilitare lo screening ad alto rendimento degli inibitori PD-1/PD-L1. L'incorporazione della fase di cattura della bio-streptavidina fornisce un orientamento della proteina diretto al sito piuttosto che casuale, consentendo una ridotta concentrazione di PD-1 (40 μg/mL rispetto a 10 μg/mL) e risparmi sui costi consentendo all'utente finale di immobilizzare la streptavidina (SA) su un chip CM5, un'alternativa meno costosa ai chip SA pre-immobilizzati commercializzati. Ciò lo rende vantaggioso per screening su larga scala ed economici di librerie di composti/peptidi. Sebbene ulteriori metodi di caratterizzazione, tra cui saggi in silico, in vitro e in vivo, siano essenziali per valutare il potenziale clinico degli inibitori di PD-1/PD-L1 contro il cancro, la nostra piattaforma di screening avanzata basata su SPR si distingue come uno strumento efficiente per lo screening su larga scala degli inibitori di PD-1/PD-L1.