$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
1,2. Ponadto opracowywane są również AC transportujące izotopy promieniotwórcze (potocznie nazywane radioimmunokoniugatami). Klimatyzator transportujący radioizotop do obrazowania jest dopuszczony do identyfikacji przerzutów raka gruczołu krokowego 3. Z wieloma innymi terapeutycznymi AC złożonymi do zatwierdzenia 4, optymizm jest wysoki co do przyszłości AC w celu poprawy opieki onkologicznej 5.
Mimo to, podczas dostarczania chemioterapeutyków lub radioizotopów, AC mają trudności z efektywnym gromadzeniem tych ładunków wewnątrz komórek docelowych. Ten aspekt w wielu przypadkach znacząco przyczynia się do niezdolności AC do zapewnienia długotrwałego przeżycia wolnego od choroby lub obrazowania guza z wysokim kontrastem 6,7. Ogólnie rzecz biorąc, gdy AC zwiążą swój docelowy antygen, są internalizowane w procesie znanym jako endocytoza za pośrednictwem receptora. Prądy przemienne są następnie uwięzione w endosomach i transportowane do lizosomów w celu degradacji i uwolnienia ładunku 8. Proces transportu wewnątrzkomórkowego stanowi wyzwanie dla AC, aby osiągnąć wysoką swoistość ładunku i skuteczność przeciwko docelowym komórkom nowotworowym. Na przykład wiele antygenów, takich jak Her2 (cel terapeutyczny AC Trastuzumab-emtanzyna) może przetwarzać do 85% związanych przeciwciał w ciągu pierwszych 30 minut 9. Ponadto, gdy dojdzie do degradacji, uwolnione chemioterapeutyki i radioizotopy mogą być aktywnie eksportowane przez zwiększoną ekspresję i/lub aktywność białek transportowych związanych z błoną 10,11. Degradacja lizosomów utrudnia również dostarczanie nowych ładunków biologicznych, takich jak enzymy terapeutyczne i oligonukleotydy, które można dezaktywować 12,13. W istocie, komórka rakowa jest wysoce skuteczna w znoszeniu niezbędnej wewnątrzkomórkowej akumulacji ładunków dostarczanych przez AC.
Ten protokół opisuje, jak wdrożyć koncepcję AC sprzężonych z peptydami pochodzącymi od wirusa, szczególnie w celu uniknięcia uwięzienia endosomu i lokalizacji w jądrze komórkowym. Przy takim wyrafinowaniu w manipulowaniu systemami komórkowymi gospodarza, nie jest zaskakujące, że rozwój białek i peptydów pochodzących z wirusów jako potencjalnych biofarmaceutyków od dawna jest zakorzeniony w badaniach terapeutycznych 14. Przez miliony lat wirusy ewoluowały, aby zdobyć wyjątkowy zbiór białek zdolnych do wykorzystania normalnych fizjologicznych systemów komórkowych ssaków w celu skutecznego wniknięcia do komórek gospodarza. W przypadku wirusów, które są internalizowane przez endocytozę za pośrednictwem receptora, mają one również trudności z ucieczką przed transportem do lizosomu, gdzie atak zlokalizowanego stężenia proteaz może być problematyczny dla przetrwania. Dobrze scharakteryzowanym peptydem pochodzenia wirusowego, wykorzystywanym w dostarczaniu leków do ucieczki z uwięzienia endosomu, jest białkiem transaktywatora transkrypcji (Tat) ludzkiego wirusa niedoboru odporności 15. Tat jest w stanie uciec z uwięzienia endosomu poprzez wyczuwanie niskiego pH, w którym to momencie zachodzą zmiany konformacyjne białka, które umożliwiają Tat wstawienie się i zakłócenie błony endosomalnej 16. Powoduje to, że koniugaty Tat-payload są w stanie uzyskać dostęp do cytoplazmy. Drugim elementem manipulacji wirusowej związanym z tym protokołem jest podejście stosowane do dostarczania genów terapeutycznych i leków do jądra 17. Wirusy ewoluowały, aby skutecznie manipulować maszynerią komórek gospodarza w celu przejścia przez błonę jądrową poprzez przejście przez kompleks porów jądrowych (NPC). Makrocząsteczki komórkowe zawierają (lub wiążą się z białkami, które zawierają) sygnały lokalizacji jądrowej (NLS) niezbędne do wiązania się z białkami transportu jądrowego (np. karioferyny α i β), które zapewniają wymagane ruchy przez NPC. Wirusy rozwinęły białka zawierające sekwencje NLS, które zapewniają im zdolność do wykorzystywania białek transportowych komórek gospodarza do transportu do jądra 18.
Wiele AC zostało wcześniej sfunkcjonalizowanych peptydami pochodzącymi z Tat- i NLS i przetestowanych pod kątem ich zdolności do gromadzenia się wewnątrz komórek rakowych i do zwalczania nowotworów 19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30 (Tabela 1). Badania dostarczające ładunki cytotoksyczne wykazały, że AC zmodyfikowane peptydami pochodzącymi z wirusa są w stanie znacznie zwiększyć akumulację komórkową, cytotoksyczność i zabijanie guzów w porównaniu z niezmodyfikowanymi AC 22,26. Cechą wspólną dla tej nowatorskiej klasy AC jest ich budowa. Zazwyczaj peptydy zawierają końcową cysteinę zapewniającą wolną grupę sulfhydrylową. MAb są najpierw poddawane reakcji z nierozszczepialnym dwufunkcyjnym środkiem sieciującym zawierającym grupy N-hydroksysukcynimidu (NHS) i maleimidowe na przeciwległych końcach. Estry NHS reagują z aminami pierwszorzędowymi na mAb, tworząc wiązania amidowe. Przereagowany mAb z wolnymi grupami maleimidowymi jest następnie poddawany reakcji z grupami sulfhydrylowymi na peptydach, tworząc wiązanie tioestrowe, a tym samym łącząc peptyd i mAb. Chociaż homobifunkcyjne środki sieciujące były używane 28, heterobifunkcjonalne środki sieciujące są częściej używane w budowie peptydów pochodzących z wirusów-AC 22,23,26,31,32. Protokół ten w szczególności wykorzystuje środek sieciujący sulfosuccinimidyl 4-(N-maleimidometylo)cykloheksano-1-karboksylan (sulfo-SMCC) ze względu na łatwość użycia i dlatego, że jest on stosowany w zatwierdzonym koniugacie przeciwciało-lek Trastuzumab-emtanzyna oraz w wielu peptydach-AC pochodzących z wirusów 8,22,23,26,31,32. Elektroforeza w żelu poliakrylamidowym z dodecylosiarczanem sodu (SDS-PAGE) jest podstawową metodą wstępnego określania wydajności koniugacji i półilościowego określania liczby peptydów na mAb. Mikroskopia konfokalna z użyciem znakowanego fluorescencyjnie przeciwciała drugorzędowego specyficznego dla mAb jest zazwyczaj metodą wstępnej oceny właściwości dystrybucji wewnątrzkomórkowej AC zmodyfikowanych peptydami pochodzącymi z wirusa. Do tej pory radioizotopy są głównymi ładunkami dostarczanymi przez AC modyfikowane peptydami pochodzącymi z wirusów. Izotopy promieniotwórcze są korzystne, ponieważ radioaktywność w komórkach można łatwo określić ilościowo za pomocą zliczania promieniowania gamma. Ponadto AC, które są tłumaczone na mysie modele ludzkich nowotworów, zapewniają naukowcom możliwość oceny celowania w guz przy użyciu modalności obrazowania molekularnego, takich jak tomografia komputerowa z emisją pojedynczych fotonów i pozytonowa tomografia emisyjna (PET) 23,32,33. Ogólnie rzecz biorąc, metody konstruowania i walidacji stosowane głównie przez badaczy zapewniają bardzo dobrą ocenę AC zmodyfikowanych peptydami pochodzącymi z wirusa na początkowym etapie rozwoju, aby skutecznie wnikać i dostarczać ładunek do komórek docelowych i do guzów.
Zmodyfikowane przez Tat- i NLS AC oświetliły kluczowe obszary dla dalszej poprawy dostarczania ładunku do wnętrza komórek rakowych i do guzów. W odniesieniu do AC zmodyfikowanych przez NLS, wydajność akumulacji wewnątrzkomórkowej może być niewielka 23,31,34. Nieefektywna akumulacja wewnątrzkomórkowa jest spowodowana ciągłym uwięzieniem endosomalnym. Celowanie w guz in vivo można również zmniejszyć zarówno za pomocą AC zmodyfikowanych Tat, jak i NLS. Aktywne sekwencje Tat i NLS zawierają kilka dodatnio naładowanych reszt. Po przyłączeniu do mAb, całkowity ładunek kationowy może być znacznie zwiększony 35. W konsekwencji AC zmodyfikowane przez Tat i NLS zwiększyły wychwyt w zdrowych tkankach i zwiększyły szybki klirens krwi.
Nasza grupa opracowała złożony związek składający się z kwasu cholowego połączonego z NLS (ChAcNLS; Rysunek 1). AC modyfikowane ChAcNLS są w stanie zwiększyć wewnątrzkomórkową akumulację dostarczonych izotopów promieniotwórczych i poprawić celowanie guza w porównaniu do zmodyfikowanych NLS i tradycyjnych AC 33,34. Mechanizm stojący za kwasem cholowym jest inspirowany zdolnością wybranych wirusów bezotoczkowych, które nie mogą polegać na fuzji błonowej, do wykorzystania kwasu cholowego do wywołania ucieczki endosomu poprzez tworzenie ceramidu. Na przykład wirus jelitowy świń rekrutuje kwas cholowy, który aktywuje sfingomielinazę, która katalizuje hydrolizę sfingomieliny do ceramidu 36,37,38. To destabilizuje błonę endosomalną i umożliwia ucieczkę wirusa. Tak więc kwas cholowy jest kolejnym składnikiem pochodzącym z wirusa, który uzupełnia NLS.
Ponieważ ta dziedzina się naprzód i w przyszłości pojawiają się postępy w dostarczaniu ładunków przez AC zmodyfikowane peptydami pochodzącymi z wirusa, jest to odpowiedni czas, aby dostarczyć wizualne demonstracje ich biochemicznych i funkcjonalnych cech podczas początkowego rozwoju. W tym miejscu opisujemy nasz protokół wstępnej oceny AC modyfikowanych peptydami pochodzącymi z wirusa w celu skutecznego, ale prostego określenia akumulacji wewnątrzkomórkowej i celowania w guz na wczesnym etapie rozwoju. Jako przykładowe systemy modelowe wykorzystujemy dostępne na rynku mAb 7G3 i A14. Procedura 1 opisuje użycie SDS-PAGE jako metody, która pozwala na podejmowanie decyzji "go/no go" dla skonstruowanych AC. Procedura 2 opisuje metodę wykorzystującą trypsynizację pozwalającą na lepszą wizualizację wewnątrzkomórkowej dystrybucji i akumulacji AC. Procedura 3 opisuje metodę ulepszonego frakcjonowania wewnątrzkomórkowego w celu dokładnego określenia lokalizacji jądrowej. W tej procedurze wykorzystujemy ładunek 64Cu (t1/2 = 12,7 h), ponieważ jest on podatny na wypływ komórkowy i jest emiterem pozytonów 10. W związku z tym Procedura 4 opisuje charakterystykę ukierunkowania guza in vivo za pomocą obrazowania PET w celu wizualizacji wychwytu guza w stosunku do tła (tj. zdrowych tkanek niedocelowych) i określenia, czy przykładowy AC może specyficznie i skutecznie celować w nowotwory. Metody te są wystarczające dla badaczy opracowujących AC zmodyfikowane peptydami pochodzącymi z wirusa w celu zidentyfikowania kandydatów do dalszego rozwoju.