Маленькие чудеса: антитела верблюдов и акул, которые могут изменить медицину

Мини-антитела имеют ряд преимуществ перед полноразмерными антителами. Они правильно самособираются, сохраняя свою форму, в отличие от полноразмерных антител, которые могут неправильно сворачиваться и вызывать негативный иммунный ответ.

Ключевой особенностью мини-антител является их универсальность. У них есть длинный и тонкий выступ, называемый CDR3-петлей, который может проникать в места, недоступные для человеческих антител. Они также легко меняют форму, что позволяет им проникать в труднодоступные места, как в тканях организма, так и на отдельных молекулах.

В 2019 году FDA одобрило первый препарат на основе мини-антител под названием Cablivi для лечения редкого заболевания крови, приводящего к образованию тромбов в мелких сосудах.

Мини-антитела могут стать ценным инструментом в лечении рака. Полноразмерные антитела уже используются в иммунотерапии, но мини-антитела могут выполнять те же задачи, а также использоваться для других целей, таких как нацеливание на белки для уменьшения роста опухоли или блокирование кровеносных сосудов, питающих опухоль. Кроме того, мини-антитела реже вызывают негативный иммунный ответ, что может привести к значительному улучшению лечения.

В первые годы исследований Хамерс осознал потенциал применения небольших антител верблюдовых, рассказывает Мюйлдерманс, подробно описавший их многочисленные применения в Ежегодном обзоре биологии животных за 2021 год. Подобно антителам человека или мыши, антитела верблюдовых можно разделить на еще более мелкие, но все же эффективные фрагменты — только кончики Y-образной структуры. Эти фрагменты, называемые вариабельными доменами, являются рабочей частью любого антитела — они действуют как «датчик» антитела и могут прикрепляться к частям патогенов или токсинов, к любому веществу, распознаваемому как чужеродное и представляющему потенциальную угрозу.

Полноразмерные антитела, как у человека (слева), обычно имеют тяжелые белковые цепи (темно-синие) и легкие белковые цепи (светло-синие). Помимо этих стандартных антител, акулы и верблюды, а также их родственники, производят антитела только с тяжелыми цепями (в центре и справа). Фрагменты на кончиках антител (показаны в кружках), называемые вариабельными доменами, прикрепляются к частям патогенов или токсинов, к любому веществу, распознаваемому организмом как чужеродное. Вариабельные домены акул (VNAR, в центре) и верблюдов (VHH или нанотела, справа) имеют дополнительный длинный пальцевидный отросток, называемый петлей CDR3, который может проникать в труднодоступные для стандартного фрагмента антитела (ScFv, слева) уголки и щели.

В стандартных антителах (которые также производят верблюды) вариабельные домены идут парами: один из тяжелой цепи и один из легкой. Но вариабельные домены антител верблюдовых, состоящих только из тяжелых цепей, являются одиночными. Исследователи поняли, что эти одиночные фрагменты могут захватывать части чужеродных молекул, к которым обычные антитела слишком громоздки, чтобы добраться.

В 1993 году команда опубликовала открытие в журнале Nature. В следующем году Хамерс запатентовал производство этих фрагментов антител верблюдовых (они также известны как VHH-антитела или «нанотела» — торговая марка). Несколько лет спустя другая группа исследователей сообщила, что акулы также производят антитела только с тяжелыми цепями, и у них еще меньший кончик (эти концевые фрагменты акул называются вариабельными новыми антигенными рецепторами или VNAR).

Когда основной патент истек в 2013 году, исследования, изучающие антитела, действительно возросли, говорит Плоэг, иммунолог из Бостонской детской больницы. «Это как бы тот момент, когда плотина прорвалась, и множество людей включились в игру».

С тех пор ученые многое узнали о преимуществах этих мини-антител. Некоторые из них практичны: в отличие от полноразмерных антител, фрагменты стабильны при комнатной температуре, поэтому нет необходимости хранить их в морозильной камере или перевозить в охлажденном состоянии. Мини-антитела акул можно даже кипятить без ущерба для их функции, говорит ЛеБо. И хотя для полноразмерных антител требуется выращивание клеток млекопитающих в колбе, что может быть сложно и дорого в обслуживании, фрагменты можно производить в больших количествах с использованием бактерий, экономя время и деньги.

Группа студентов-биологов первыми открыла эти необычные антитела — совершенно случайно — еще в 1989 году. Студентам Свободного университета в Брюсселе понадобилась кровь для экзамена, на котором им было поручено разделить антитело на две основные части: две тяжелые белковые цепи, которые образуют Y-образную форму, и две легкие белковые цепи, которые фланкируют зубцы в верхней части Y.

Работа с человеческой кровью казалась слишком рискованной, учитывая опасения по поводу возможного заражения ВИЧ в то время, и студенты не хотели убивать мышь. Но профессор студентов, покойный Раймонд Хамерс, случайно изучал сонную болезнь у крупных животных. Он дал студентам немного крови от верблюда, говорит иммунолог Серж Мюйлдерманс, который тогда был постдокторантом в университете.

Как ни странно, студенты обнаружили в крови только тяжелые цепные белки, хотя антитела должны были также иметь легкие цепи. Как рассказывает Мюйлдерманс, все думали, что антитела верблюда деградировали — или что студенты сделали что-то не так, — поэтому Хамерс отправился в Антверпенский зоопарк, чтобы собрать свежую кровь верблюда. Но студенты не облажались: верблюды вырабатывают антитела только с тяжелыми белковыми цепями.

На другом конце страны иммунолог Хидде Плоэг проделывает те же шаги, но с альпаками, которые живут на ферме в западном Массачусетсе. Ученые стремятся к одному и тому же: крошечным антителам, вырабатываемым только определенными животными, которые могут иметь большое значение для здоровья человека.

Большинство антител — тех молекул, которые проходят через нашу кровь и ткани, патрулируя на наличие патогенов, — довольно увесисты, как и белки. Но антитела, вырабатываемые верблюдами и акулами, а также их близкими родственниками, проще и меньше. С момента их открытия в конце 1980-х годов исследователи узнали, что эти антитела обладают большой силой: они могут цепляться за скрытые части молекул и могут глубже проникать в ткани, увеличивая свой потенциал в качестве терапии.

«Они могут проникать в маленькие уголки и закоулки различных белков, к которым человеческие антитела не имеют доступа», — говорит ЛеБо.

В последние десятилетия исследования этих миниатюрных антител резко возросли. Они не только могут проникать в небольшие места, но и просты в работе — прочнее, чем их обычные аналоги, — и относительно дешевы в производстве в больших количествах. Все эти особенности делают антитела многообещающими средствами лечения множества заболеваний, будь то нарушения свертываемости крови или Covid-19. Исследователи также изучают их использование для диагностики таких состояний, как рак, и они становятся ключевым инструментом в других видах исследований, таких как картирование внутренностей клеток.

Полное обещание этих антител может быть реализовано еще через несколько лет, но исследователи очень взволнованы их возможностями. «Я думаю, что у них есть потенциал спасти мир», — говорит ЛеБо.