Engineering affibody-based prodrugs for enhanced tissue selectivity in targeted cancer therapies

QC 2024-11-14

Abstract

Cancer är fortfarande en av de ledande dödsorsakerna globalt, och ungefär 40 % av befolkningen förväntas få en cancerdiagnos under sin livstid. Konventionella behandlingar som kirurgi, kemoterapi och strålbehandling har historiskt varit avgörande för att förbättra behandlingsresultaten. Dessa behandlingsstrategier uppvisar dock ofta begränsad specificitet, delvis på grund av tumörers heterogenitet både mellan och inom patienter. Precisionsmedicin har utvecklats för att möta dessa utmaningar genom att ta fram terapier som är riktade mot tumörernas specifika molekylära och genetiska profiler. Målsökande terapier, särskilt monoklonala antikroppar, har visat stor potential inom detta område, men dessa behandlingar har också begränsningar såsom toxicitet, dålig vävnadspenetration och höga produktionskostnader. Denna avhandling fokuserar på utveckling av innovativa prodrug-strategier, inklusive affibody-baserade prodrugs och antikroppsprodrugs, med det övergripande målet att förbättra vävnadsspecificitet och minska systemisk toxicitet. Genom fem forskningsartiklar undersöks dessa olika strategier för deras potential att förbättra nästa generations cancerterapier.

I Paper I identifierades en maskeringsdomän för en affibody riktad mot epidermal growth factor receptor (EGFR) med hjälp av Staphylococcus carnosus display. Denna studie screenade ett affibodybibliotek för att isolera en domän som effektivt kan maskera bindningsaktiviteten i den målsökande domänen. En första prodrug-variant med maskeringsdomänen visade väsentligt blockerad EGFR-bindning, samt återställd aktivitet efter proteolytisk klyvning. I Paper II optimerades den affibody-baserad prodrug från paper I för att förbättra dess biodistribution in vivo. Viktiga modifieringar inkluderade införandet av ett proteasubstrat och en albuminbindande domän för att förlänga cirkulationstiden i blod. Den optimerade varianten visade en gynnsam biodistribution i tumör-bärande möss, med kraftigt reducerat upptag i frisk vävnad, och en betydande förbättring av tumörselektivitet in vivo.     

Affibodies utvärderades i Paper III som maskeringsdomäner för den monoklonala antikroppen cetuximab. Från ett stort affibodybibliotek selekterades anti-idiotypa bindare för att specifikt maskera cetuximabs paratop. Med en av de nya maskeringsdomänerna konstruerades en prodrugversion av cetuximab, och in vitro-studier visade en 400-faldig minskning i effekt innan proteolytisk aktivering. Denna studie validerade användningen av affibodymolekyler som maskeringsdomäner i antikroppsbaserade prodrugs. I Paper IV demonstrerades mångsidigheten genom att isolera affibodymolekyler mot nivolumab, en anti-PD-1 monoklonal antikropp. Screeningen identifierade affibodies som verkar efterlikna PD-1 och därmed blockera nivolumab. Struktur-modellering och bindningstudier bekräftade effektiv maskering, samt återaktivering av PD-1-bindning efter klyvning.

Med målet att förbättra aktivering av prodrugs, modifierades i Paper V en metod baserad på E. coli display för att identifiera optimerade substratsekvenser för matriptas, ett tumörassocierat proteas. Ett stort substratbibliotek designades och screenades, vilket ledde till identifiering av flera substratkandidater med väsentligt förbättrad klyvning. Dessa optimerade substrat inkorporerades i prodrug-konstrukt, vilka senare visade en snabbare aktivering jämfört med tidigare rapporterade referenssubstrat.

Sammanfattningsvis visar denna avhandling potentialen hos affibodymolekyler som både maskerings- och målsökande domäner i biologiska prodrugs. Dessa resultat utgör en grund för framtida forskning inom design av nya precisionsmedicinska cancerbehandlingar med målet att ytterliggare förbättra selektivitet och effektivitet.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-356263