כיצד נוגדן "בונה מחדש" את מטרתו: מדוע חלק מהנוגדנים נגד CD20 קוראים למשלים, בעוד שאחרים הורגים ישירות

מדענים דמיינו מה בדיוק קורה לקולטן CD20 על גבי תאי B כאשר נוגדנים טיפוליים (ריטוקסימאב, אוביטומאב וכו') נצמדים אליו. באמצעות גרסה חדשה של מיקרוסקופיית RESI ברזולוציה גבוהה, הם ראו זאת בתאים חיים שלמים ברמת החלבונים הבודדים וקישרו את דפוס הננו-אשכולות עם מנגנוני פעולה שונים של תרופה. התוצאה: נוגדנים "סוג I" (למשל, ריטוקסימאב, אופטומומאב) מרכיבים את CD20 לשרשראות ארוכות ומבנים-על - זה "שותל" את המשלים טוב יותר. נוגדנים "סוג II" (למשל, אוביטומאב) מוגבלים לאוליגומרים קטנים (עד טטרמרים) ומספקים ציטוטוקסיות ישירה חזקה יותר והרג דרך תאי אפקטור. העבודה פורסמה ב- Nature Communications.

רקע המחקר

• למה CD20? נוגדנים נגד CD20 הם סוס העבודה בטיפול בלימפומות/לוקמיות של תאי B ובכמה מחלות אוטואימוניות. ישנן מספר תרופות בשוק, אך הן מתנהגות בצורה שונה בתא ומייצרות פרופילים קליניים שונים.
• שני מחנות מכניסטיים. באופן קונבנציונלי, ישנם נוגדנים מסוג I (ריטוקסימאב, אופטומומאב) וסוג II (אובינוטאזומאב וכו'). הראשונים נוטים יותר לכלול משלים (CDC), האחרונים מספקים לעתים קרובות יותר מוות תאי ישיר והרג דרך תאי אפקטור (ADCC/ADCP). זה ידוע זה מכבר מביוכימיה ומבדיקות פונקציונליות - אך מדוע בדיוק זה כך ברמה הננומטרית לא היה ברור.
• מה היה חסר בשיטות הקודמות.
  • אימונופלואורסצנציה קלאסית ואפילו גישות רבות של סופר-רזולוציה אינן רואות "מולקולה בודדת" בממברנה חיה כאשר המטרות ארוכות בצפיפות ודינמיות.
  • קריו-EM מספק פרטים מדהימים, אך בדרך כלל מחוץ להקשר של תא חי שלם.
    כתוצאה מכך, היה צורך לנחש את ה"גיאומטריה" של CD20 מתחת לנוגדן (אילו אשכולות, שרשראות, גדלים) מנתונים עקיפים.
• למה גיאומטריה חשובה. המשלים "נדלק" כאשר C1q לוכד בו זמנית דומייני Fc הממוקמים נכון - זה פשוטו כמשמעו עניין של מרחקים וזוויות. באופן דומה, יעילות ADCC/ADCP תלויה באופן שבו הנוגדן חושף את ה-Fc שלו לקולטני תאי אפקטור. לכן, ננו-ארכיטקטורה של CD20 + נוגדן = המפתח לתפקוד.
• מה הייתה מטרת המחברים? להראות בתאים חיים שלמים (in situ) מה בדיוק נוגדנים שונים כנגד CD20 עושים עם CD20: אילו אוליגומרים ומבנים-על נוצרים, כיצד זה קשור לשילוב והריגת משלימים, והאם ניתן לשלוט במכניקה באמצעות תכנון נוגדנים (זוויות קשירה, צירים, ערכיות, ביספציפיקציות).
• למה זה הכרחי בפועל?
  • תכנון הדור הבא: למידה של "לכוון את הידיות" של מבנה כדי להשיג את מנגנון הפעולה הרצוי עבור משימה קלינית ספציפית או הקשר של גידול.
  • שילובים משמעותיים: להבין היכן תרופה "משלימה" מתאימה יותר, והיכן תרופה "קוטלת ישירה" מתאימה יותר.
  • בקרת איכות/ביוסימילרים: בעלי "טביעת אצבע" פיזית של אשכול נכון כסמן ביולוגי של שקילות.

בקיצור: נוגדנים טיפוליים פועלים לא רק "על פי המתכון של המנגנון", אלא גם על פי הגיאומטריה שמטרות כופות על הממברנה. לפני עבודה זו, לא היה לנו כלי לראות גיאומטריה זו בתא חי בדיוק של מולקולות בודדות - זהו החור שהמחברים סוגרים.

למה זה היה הכרחי?

נוגדנים נגד CD20 הם הבסיס לטיפול בלימפומות של תאי B ולוקמיה, ואמצעי ל"כיבוי" תאי B בכמה מחלות אוטואימוניות. ידענו ש"סוג I" ו"סוג II" פועלים בצורה שונה (השלמה לעומת הריגה ישירה), אך לא היה ברור כיצד נראה הבדל זה ברמה הננומטרית בקרום התא. שיטות קלאסיות (cryo-EM, STORM, PALM) בתאים חיים לא הגיעו לרזולוציה של "חלבון אחד" בדיוק עבור קומפלקסים צפופים ודינמיים. RESI עושה זאת.

מה הם עשו?

• השתמשנו ב-3D-RESI (שיפור רזולוציה על ידי הדמיה סדרתית) רב-מטרתי ובסימון DNA-PAINT כדי להדגיש בו זמנית את CD20 ואת הנוגדנים הקשורים אליו בקרום של תאים שלמים. רזולוציה היא רמתן של מולקולות בודדות בהקשר in situ.
• השווינו בין סוג I (ריטוקסימאב, אופטומומאב וכו') לסוג II (אובינוטאזומאב; כמו גם שיבוט H299) וניתחנו כמותית אילו אוליגומרים של CD20 הם יוצרים - דימרים, טרימרים, טטרמרים ומעלה.
• בדקנו את הקשר בין ה"דפוס" לתפקוד: מדדנו קישור משלים, ציטוטוקסיות ישירה והרג דרך תאי אפקטור. שיחקנו גם עם הגיאומטריה של הנוגדנים (לדוגמה: היפוך זרועות ה-Fab ב-CD20×CD3 T-cell engager) כדי להבין כיצד הגמישות/כיוון של הציר מעביר את התפקוד בין סוג I לסוג II.

הממצאים העיקריים במילים פשוטות

• סוג I יוצר שרשראות ו"פלטפורמות" של CD20 - לפחות הקסמרים וארוך יותר; זוהי גיאומטריה שנוחה ל-C1q, כך שהמשלים כלול טוב יותר. דוגמה: ריטוקסימאב, אופטומומב.
• סוג II מוגבל להרכבות קטנות (בדרך כלל עד טטרמרים), אך יש לו ציטוטוקסיות ישירה גבוהה יותר והרג חזק יותר דרך תאי אפקטור. דוגמה: obinutazumab.
• גיאומטריה חשובה. שינוי הגמישות/כיוון של זרועות ה-Fab של הנוגדן הדו-ספציפי CD20xCD3 והתנהגותו משתנה מ"סוג II" ל"סוג I": התקבצות CD20 ↑ וציטוטוקסיות ישירה ↓ - קשר ברור בין מבנה לתפקוד.

למה זה חשוב לטיפול?

• תכנון הדור הבא: כיום ניתן לתכנן נוגדנים ספציפיים עבור מנגנון רצוי (יותר משלים או הריגה ישירה יותר) על ידי התאמת זוויות קשירה, צירים וערכיות כדי להשיג את ננו-ארכיטקטורת CD20 הרצויה.
• התאמה אישית ושילובים. אם מסלול ה"משלים" עובד טוב יותר בגידול מסוים, כדאי לפנות למסלול "סוג I" (או נוגדנים/בי-ספציפיות שבונים שרשראות CD20 ארוכות). אם מוות ישיר חשוב יותר, בחרו "סוג II" והגבירו אותו באמצעות מסלולי אפקטור.
• בקרת איכות וביוסימילרים. RESI מספקת ביעילות מבחן גיאומטריה: ניתן לאמן מודל לזהות את ה"חתימה" של אוליגומרים נכונים של CD20 ולהשתמש בו כבקרה ביופיזית בפיתוח ביוסימילרים.

קצת מכניקה (למי שמעוניין)

• לפי קריו-EM ותמונות חדשות, סוג I (למשל, ריטוקסימאב) נקשר ל-CD20 בזווית שטוחה, מגשר בין דימרים של CD20, ויוצר שרשראות עם פלטפורמות עבור C1q; אופטומומאב עושה דבר דומה, אך עם צעד קטן יותר בשרשרת ו"נוצר" משלים בצורה יציבה אף יותר. לסוג II (אובינוטזומאב) יש זווית תלולה יותר וסטוכיומטריה שונה (1 Fab ל-2 CD20), כך שהוא נשאר באזור הטרימר-טטרמר.

מגבלות ומה הלאה

• אלו הם מודלים של תאים עם תנאים מבוקרים בקפידה. השלב הבא הוא לאשר דפוסי אשכול מרכזיים של CD20 בדגימות גידול ראשוניות ולקשר אותם עם תגובה קלינית.
• RESI היא טכניקה מורכבת, אך הצוות מדגיש את הרבגוניות שלה: היא יכולה למפות כל מטרה בממברנה ואת הנוגדנים שלה - מ-EGFR/HER2 ועד PD-L1 - וגם לקשר ננו-ארכיטקטורה לתפקוד.

מַסְקָנָה

נוגדנים פועלים לא רק "על פי המתכון של המנגנון", אלא גם על פי הגיאומטריה שהם כופים על הקולטן בממברנה. התאפשר לראות גיאומטריה זו - וזה פותח את הדרך לתכנון מדויק יותר של תכשירים אימונוכיים, שבהם האפקט הקליני הרצוי נקבע ברמת ננומטרים.

מקור מחקר: Pachmayr I. et al. פתרון הבסיס המבני של תפקוד נוגדנים טיפוליים באימונותרפיה לסרטן עם RESI. Nature Communications, 23 ביולי 2025. doi.org/10.1038/s41467-025-61893-w