Tumorzellen leiten häufig normale physiologische Prozesse um, um ihr Wachstum zu fördern, indem sie sich Proteine zunutze machen, die wesentliche zelluläre Funktionen haben. Daher ist es wichtig, die Aktivität dieser Proteine nur in Krebszellen zu blockieren, ohne ihre unverzichtbaren Rollen in gesundem Gewebe zu beeinträchtigen. Daher können herkömmliche Ansätze, die auf kleine Moleküle zurückgreifen, die eine systemische Hemmung in allen Körperzellen bewirken, zu schweren Nebenwirkungen führen.
Kathepsine sind ein Beispiel für essentielle Proteine, die von Krebszellen zweckentfremdet werden. Diese Enzymfamilie ist für den Abbau anderer Proteine und den Umbau des Körpergewebes verantwortlich. Kathepsine sind an verschiedenen Krebserkrankungen, Osteoporose und Autoimmunerkrankungen beteiligt. Klinische Versuche mit kleinen Molekülen, die Kathepsine hemmen, sind jedoch aufgrund mangelnder Wirksamkeit oder Toxizität gescheitert.
Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Elisa Oricchio und Bruno Correia von der EPFL hat nun einen neuen Ansatz zur Überwindung dieser Hindernisse entwickelt. Sie haben eine modulare Arzneimittelplattform geschaffen, die nicht-natürliche Peptid-Inhibitoren (NNPIs) mit Antikörpern konjugiert und so Antikörper-Peptid-Inhibitor-Konjugate (APICs) herstellt. Dank dieser Methode werden die Inhibitoren spezifisch an die Krebszellen abgegeben, wodurch systemische Nebenwirkungen reduziert und die therapeutische Wirksamkeit erhöht werden.
Die Forscherinnen und Forscher entwickelten zunächst NNPIs, die sich kovalent an Kathepsine binden und diese hemmen. Sie veränderten Peptidsequenzen so, dass sie einen Michael-Akzeptor enthielten, d. h. eine organische Komponente, die die Bildung einer stabilen Bindung mit den Kathepsinen erleichtert.
Der Michael-Akzeptor reagiert mit dem Cysteinrest im aktiven Zentrum von Cathepsin (dem Teil des Enzyms, der für seine Hauptfunktion verantwortlich ist), wodurch eine stabile kovalente Bindung entsteht, die Cathepsin wirksam hemmt. Um die Spezifität und Wirksamkeit der Peptide zu verbessern, griff das Team auf die sättigende Mutagenese zurück. Bei dieser Methode wird jede Aminosäure eines Proteins systematisch verändert, um die besten Varianten mit den gewünschten Eigenschaften zu finden.
Die Forscherinnen und Forscher identifizierten mehrere starke Inhibitoren gegen vier verschiedene Cathepsine, nämlich Cathepsin S, B, K und L. Durch die Kombination dieser Inhibitoren mit Antikörpern, die CD22, CD79, HER2 und Siglec15 erkennen, konnte das Team die NNPIs präzise an Lymphomzellen, Brustkrebszellen und Osteoklasten abgeben. So kann die natürliche Fähigkeit von Antikörpern, von den Zielzellen internalisiert zu werden, genutzt werden, indem die Inhibitoren präzise dorthin gelenkt werden, wo sie benötigt werden.
Es war also an der Zeit, die APICs zu testen: Sowohl in Zelllinien als auch in Tiermodellen zeigten sie wichtige therapeutische Wirkungen. So führte die Behandlung mit APICs, die auf Cathepsin S abzielen, in Lymphom-Modellen zu einer Rückbildung des Tumors und zur Aktivierung der Immunantwort gegen die Krebszellen. In Brustkrebsmodellen reduzierten APICs, die auf Cathepsin B abzielten, die Invasivität des Tumors und die Zellmigration, was das Potenzial der Verwendung von APICs zur Verhinderung von Metastasen unterstreicht.
Durch die spezifische Abgabe von Inhibitoren an Krebszellen kann der APIC-Ansatz die Nebenwirkungen, die üblicherweise mit anderen Behandlungen wie Chemotherapien einhergehen, vermeiden oder verringern. Darüber hinaus kann das APIC-Design aufgrund seiner modularen Natur so angepasst werden, dass es auf verschiedene Proteasen abzielt, die an unterschiedlichen Krankheiten beteiligt sind, was die Behandlung von anderen Krankheiten als Krebs revolutionieren könnte.
Das APIC-Projekt geht nun über das Labor hinaus und ist auf dem besten Weg, klinische Realität zu werden. "Wir haben auf der Grundlage dieses Projekts zwei Patentanträge gestellt", berichtet Elisa Oricchio. "Der Doktorand Aaron Petruzzella, der das Projekt geleitet hat, hat kürzlich einen Bridge Proof of Concept-Zuschuss vom SNF erhalten, um weiter an diesen Inhibitoren zu arbeiten, die Grundlagen für ein Start-up-Unternehmen zu schaffen und die Aufmerksamkeit potenzieller Investoren und Investorinnen auf sich zu ziehen."
Liste der Beitragenden
- Schweizerisches Institut für experimentelle Krebsforschung (ISREC) der EPFL.
- Schweizerisches Krebszentrum - Arc lémanique (SCCL)
- Institut für chemische Wissenschaften und Ingenieurwesen (ISIC) der EPFL
- Institut für Bioengineering der EPFL
- Labor für Proteindesign und Immunoengineering der EPFL
- Ludwig-Institut für Krebsforschung (Pol Lausanne)
- Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV) und Universität Lausanne (UNIL).
- Radboud-Universität
- Institut für chemische Immunologie in Nijmegen
- Technologieplattform für Proteinproduktion und -struktur der EPFL
- Krebsforschungszentrum Agora
Petruzzella, A., Bruand, M., Santamaria-Martínez, A., Katanayeva, N., Reymond, L., Wehrle, S., Georgeon, S., Inel, D., van Dalen, F. J., Viertl, D., Lau, K., Pojer, F., Schottelius, M., Zoete, V., Verdoes, M., Arber, C., Correia, B. E., & Oricchio, E. Antibody-peptide conjugates deliver covalent inhibitors blocking oncogenic cathepsins. Nature Chemical Biology 29. Mai 2024. DOI: 10.1038/s41589’024 -01627-z
