Antibody and immunoglobulin alternatives (Part 1)

Anticorps : une brève histoire

La première référence aux anticorps remonte aux travaux d’Emil von Behring (qui reçut le prix Nobel pour ses travaux en 1901) et de Shibasabura Kitasato en 1890. Ils démontrèrent que le sérum provenant d’animaux immunisés contre la diphtérie et le tétanos pouvait guérir des animaux infectés. En 1900, Paul Ehrlich développa sa théorie de la formation des anticorps conformément à l’hypothèse de la « clé et de la serrure », initialement proposée par Emil Fischer pour décrire l’interaction des enzymes avec leurs substrats.

Le premier isotype d’anticorps (immunoglobuline G, IgG) fut découvert en 1939 par Arne Tiselius et Elvin Kabat, et en 1948 Astrid Fagraeus décrivit la production d’anticorps par les plasmocytes B. La structure moléculaire des anticorps fut décrite indépendamment en 1959 par Gerald Edelman et Rodney Porter, travaux pour lesquels ils reçurent conjointement le prix Nobel en 1972.

La théorie de la sélection clonale fut établie en 1957 par Frank MacFarlane Burnet et David W. Talmage, puis étendue en 1976 avec la description par Susumu Tonegawa de la recombinaison des gènes d’Ig. L’année 1975 vit ensuite la première génération d’hybridomes et le développement des anticorps monoclonaux par Georges Köhler et César Milstein, suivis 15 ans plus tard par la technique du phage display, perfectionnée par John McCafferty, Andrew D. Griffiths, Greg Winter et David J. Chiswell.

Des possibilités d’amélioration

Les anticorps constituent aujourd’hui l’un des piliers de la recherche en protéomique. La production et la purification des anticorps ont été perfectionnées au cours des 125 dernières années. Cependant, la production d’anticorps reste un processus nécessitant d’importantes ressources.

L’immunisation d’un animal hôte peut être complexe et coûteuse. Les antigènes hautement toxiques ou fortement conservés induisent généralement une réponse immunitaire insuffisante, nécessitant l’utilisation d’un adjuvant afin de stimuler la production d’anticorps. Le processus d’immunisation dure généralement environ trois mois. Selon la réponse de l’animal immunisé, des injections de rappel supplémentaires peuvent être nécessaires, prolongeant ainsi le protocole de plusieurs semaines jusqu’au prélèvement sanguin final.

La fusion de cellules B productrices d’anticorps, isolées de la rate de l’animal, avec des cellules de myélome afin de générer des cellules d’hybridome produisant des anticorps monoclonaux ajoute une étape supplémentaire de complexité à la production d’anticorps monoclonaux. Indépendamment des étapes ultérieures de sélection, de criblage et de purification, la production d’anticorps monoclonaux à partir d’une nouvelle lignée cellulaire d’hybridome peut facilement nécessiter un an ou davantage.

La production d’anticorps polyclonaux comme monoclonaux implique généralement le sacrifice de l’animal immunisé. En outre, certains hybridomes ne se développent qu’après avoir été injectés dans la cavité péritonéale, où ils sécrètent un liquide riche en anticorps appelé ascite. Ce processus provoque une douleur considérable chez l’animal et est donc évité lorsque des techniques alternatives sont disponibles. La production conventionnelle d’anticorps soulève par conséquent également des questions éthiques.

Outre les préoccupations liées à leur production, certaines caractéristiques biochimiques des anticorps conventionnels laissent également une marge d’amélioration. Les anticorps couramment utilisés tels que les IgG sont relativement volumineux, avec une masse moléculaire d’environ 150 kDa. Une grande partie de cette masse n’est pas directement nécessaire aux propriétés de liaison de l’anticorps, puisque les régions déterminant la complémentarité (CDR) des chaînes lourdes et légères ne représentent qu’une faible fraction de l’anticorps entier. Cette taille pose notamment problème dans des techniques telles que l’immunohistochimie, où les anticorps doivent franchir des barrières telles que la membrane plasmique afin d’atteindre leur cible.

Enfin, l’affinité de liaison des anticorps peut varier considérablement. Entre différents lots, des variations de plusieurs ordres de grandeur sont courantes, allant fréquemment de valeurs micromolaires à picomolaires. Les constantes d’affinité des anticorps monoclonaux ont tendance à être légèrement inférieures à celles des meilleurs anticorps au sein d’une population polyclonale. En revanche, les anticorps polyclonaux présentent un signal de fond plus élevé ainsi qu’une variabilité plus importante d’un lot à l’autre.

Alternatives aux immunoglobulines conventionnelles

La pression en faveur du développement et de l’optimisation d’alternatives aux immunoglobulines traditionnelles ne cesse d’augmenter. Les produits dérivés des immunoglobulines ainsi que les alternatives ne reposant pas sur les Ig gagnent en popularité, en grande partie en raison des problématiques mentionnées ci-dessus.

Anticorps recombinants

Les anticorps recombinants sont des réactifs de protéomique d’affinité dérivés de la séquence d’immunoglobulines conventionnelles, mais produits de manière transgénique dans un organisme hôte. Contrairement aux anticorps produits par un animal hôte en réponse à l’exposition à une substance immunogène, les anticorps recombinants¹ sont produits dans des systèmes d’expression procaryotes ou eucaryotes à partir de l’ADN codant. Il est ainsi garanti que les anticorps produits sont identiques d’un lot à l’autre, de manière comparable aux anticorps monoclonaux.

En raison de la structure hétérotétramérique complexe des anticorps et de l’importance d’une maturation post-traductionnelle correcte, telle que la glycosylation, les anticorps recombinants complets sont le plus souvent produits dans des systèmes d’expression eucaryotes. D’autres considérations, notamment les conditions réductrices présentes dans le cytoplasme d’E. coli, compliquent également la production d’anticorps recombinants. Ces difficultés ont pu être partiellement contournées grâce à la production de fragments d’anticorps plus petits qui conservent la capacité de reconnaître spécifiquement l’antigène souhaité.

Anticorps recombinants et fragments d’Ig

Les immunoglobulines (Ig) sont des hétérotétramères complexes composés de deux chaînes légères et de deux chaînes lourdes, chacune étant structurellement organisée en régions variables (VH, VL) et en régions constantes (CH1, CH2, CH3, CL), maintenues ensemble par des ponts disulfure (lignes jaunes). Les HCAb de camélidés sont des homodimères dont les deux régions déterminant la complémentarité se trouvent chacune sur une seule chaîne d’acides aminés. Différents fragments des deux classes d’anticorps sont disponibles et présentent des propriétés différentes de celles de leurs molécules parentes (voir texte).

Le plus petit fragment capable de se lier à un antigène est le fragment Fv d’immunoglobuline, constitué uniquement d’un domaine variable de la chaîne lourde. La faible stabilité du fragment Fv a conduit au développement des fragments Fv monocaténaires (scFv), dans lesquels une région variable de chacune des chaînes légère et lourde est reliée par un linker soluble. Les fragments scFv représentent les plus petits fragments contenant un site de liaison complet d’un anticorps et constituent actuellement le format d’anticorps recombinants le plus populaire, avec de nombreuses applications dans le domaine de la santé et des biotechnologies. L’évolution de cette plateforme a également conduit à des scFv bivalents ou trivalents et à des diabodies présentant des constantes d’affinité plus faibles, ainsi qu’à des anticorps bispécifiques capables de relier différents antigènes et présentant ainsi un potentiel en tant que médicaments anticancéreux, par exemple les BiTEs. Toutes ces variantes étant produites sous la forme d’une seule chaîne peptidique, elles restent codées par un seul gène.

Si l’absence du fragment Fc d’un anticorps complet peut être avantageuse pour certaines applications, comme c’est également le cas pour les fragments d’anticorps F(ab’)2 et Fab, il est nécessaire de conserver les caractéristiques des Ig dans d’autres applications, par exemple lors de l’utilisation d’un anticorps secondaire dirigé contre la région Fc. La fusion de fragments d’anticorps avec le fragment Fc de l’immunoglobuline concernée rend la molécule obtenue pratiquement impossible à distinguer de l’anticorps natif en termes de fonction et d’avidité.

Les anticorps produits par recombinaison suscitent progressivement un intérêt croissant dans le domaine de la recherche. Actuellement, antibodies-online propose une sélection d’

En outre, antibodies-online propose plusieurs anticorps chimériques partiellement humanisés dirigés contre des antigènes pertinents de HIV, HCV et BPV-1.

Outre les dérivés traditionnels d’Ig produits par recombinaison, les alternatives dérivées des anticorps à chaîne lourde (hcAb) suscitent également un intérêt considérable. Les hcAb homodimériques des camélidés² et les récepteurs d’immunoglobuline de nouvel antigène (IgNAR)³ des poissons cartilagineux sont constitués uniquement de deux chaînes lourdes et ne possèdent pas les chaînes légères caractéristiques des anticorps Ig. Le site de liaison à l’antigène du HCAb de dromadaire est contenu dans un seul domaine, appelé domaine variable de la chaîne lourde du HCAb (VHH), communément appelé nanobody⁴. Ces nanobodies sont particulièrement petits et peuvent être produits à l’aide de techniques recombinantes avec une qualité exceptionnellement élevée et pratiquement aucune variation d’un lot à l’autre.

Les nanobodies sont de petits fragments de liaison à l’antigène (V_HH), produits par recombinaison et dérivés des Camelidae. Les nanobodies ont suscité un intérêt considérable au sein de la communauté scientifique, et ce pour de bonnes raisons. Les propriétés uniques des nanobodies permettent leur utilisation dans de nombreuses applications et leur permettent de remplir des fonctions auxquelles les anticorps produits de manière conventionnelle ne sont pas adaptés.

Informations complémentaires

Alternatives aux anticorps et aux immunoglobulines (Partie 2) présente des alternatives aux anticorps mono- et polyclonaux conventionnels qui ne sont pas dérivées de séquences d’Ig.

Références