Science先进技术揭示治疗性单克隆抗体与CD20分子相互作用机制

来源：作者：人气：-发表时间：2025-01-15 14:06:00【大中小】

摘要：在慢性淋巴细胞性白血病等血癌中，免疫系统的B细胞不受控制地繁殖。

近日，德国维尔茨堡大学生物中心生物技术与生物物理学系的研究人员在Science期刊上发表了一篇具有重要意义的论文，这项工作由欧洲研究委员会、德国联邦教育和研究部以及德国研究基金会资助。该研究聚焦于治疗性单克隆抗体（mAbs）与CD20分子之间的相互作用机制。这项研究不仅为理解mAbs如何激活免疫系统以杀死B细胞提供了关键的分子层面见解，还可能对改进现有mAbs药物的设计和开发产生深远影响。

图1 用快速体积纳米显微镜解码CD20和治疗性抗体的分子相互作用

背景

在过去30年里，治疗性单克隆抗体作为抗癌药物取得了巨大成功。它们通过特异性结合目标抗原来诱导细胞毒性，促进免疫反应，如抗体依赖性细胞毒性（ADCC）和补体依赖性细胞毒性（CDC）。CD20是一种在大多数B细胞表面表达的受体，利妥昔单抗（RTX）是首个获批的抗CD20治疗性mAb，用于治疗B细胞恶性肿瘤和自身免疫性疾病。此外，还有人源化mAb奥法木单抗（OFA）和奥滨尤妥珠单抗（OBZ）等。这些mAbs与B细胞结合后，会改变CD20在膜上的纳米尺度组织，激活细胞毒性途径。然而，目前对于mAbs的结合机制以及结合诱导的内源性CD20在膜上的重组如何激活免疫系统杀死B细胞的分子细节知之甚少。早期有迹象表明CD20可被RTX串联，但相关实验是在非生理条件下进行的体外实验。为了破解B细胞上内源性CD20与治疗性mAbs之间的分子相互作用，需要能够提供高时空分辨率的三维（3D）体积超分辨率荧光成像方法。

JMU生物中心的Markus Sauer教授说：“在慢性淋巴细胞白血病等血癌中，免疫系统的B细胞不受控制地繁殖。一种治疗方法是用定制抗体在B细胞表面标记CD20蛋白。这会引发一系列的免疫反应，最终导致癌细胞的毁灭。这种免疫治疗抗体已经用于治疗肿瘤疾病30年了。尽管这对治疗的成功至关重要，但我们仍然对抗体如何与CD20结合以及随后的反应如何发生的细节知之甚少。”

追踪抗体有效性

这种情况现在可能会改变：由JMU生物物理学家领导的一个团队开发了一种新的超分辨率显微方法。这使得首次在具有分子分辨率的3D中研究治疗性抗体与肿瘤细胞靶分子的相互作用成为可能。Markus Sauer说：“我们现在可以观察到抗体的工作效率，从而为改进治疗方法的发展做出贡献。”这种新的显微方法被称为LLS-TDI-DNA-PAINT。在科学杂志《Science》上，第一作者Arindam Ghosh博士和Markus Sauer的主席团队描述了新开发的技术如何工作，以及已经获得的发现。来自维尔茨堡大学附属医院第二医学诊所的Thomas Nerreter博士和Martin kort教授也参与了这项研究。

材料方法与关键技术路线

研究人员引入了一种速度优化的基于DNA的点累积成像纳米拓扑（DNA-PAINT）变体。其核心思想是利用常规的DNA-PAINT成像器，这些成像器末端标记有两个相同的荧光团，在未结合状态下形成非荧光H-二聚体。这使得能够使用更高浓度的成像器，从而比经典DNA-PAINT实现约15倍更快的二维（2D）成像。为了实现快速的全细胞三维成像，研究人员将双染料成像器DNA-PAINT（TDI-DNA-PAINT）与晶格光片（LLS）显微镜相结合。此外，他们还利用LLS成像技术来阐明mAbs与CD20在活B细胞中实时的结合相互作用，实现了四维成像。

图2 CD20和治疗性单克隆抗体的分子相互作用

研究结果

mAb-CD20复合物分布成像

通过应用二维TDI-DNA-PAINT，研究人员对贴壁B细胞基底膜上的mAb-CD20复合物分布进行了成像，识别出由微绒毛聚集的CD20受体串联形成的丝状排列，这些受体夹在细胞和盖玻片之间。为了避免表面诱导的伪影，他们使用三维LLS TDI-DNA-PAINT验证了结果。由于TDI-DNA-PAINT允许使用显著更高浓度的成像探针，全细胞成像仅需几小时即可完成。

mAbs对CD20的交联作用

研究发现，CD20不仅被I型mAbs RTX和OFA交联，而且在较高浓度下也被II型mAb OBZ交联，从而推翻了目前对治疗性mAbs的分类。此外，研究人员还证明了I型和II型mAbs都能诱导B细胞极化，并使CD20在微绒毛上积累，这些微绒毛通过mAbs的结合和串联得以稳定，且不同mAbs的结合和串联效率不同。

结论与讨论

本研究通过TDI-DNA-PAINT技术，结合LLS显微镜实现了快速全细胞成像，清晰地揭示了B细胞上内源性CD20与三种不同治疗性mAbs之间的分子相互作用。研究人员明确识别出I型和II型mAbs都能交联并串联CD20，形成不同几何形状的复合物，这无疑表明目前的mAbs分类是站不住脚的。鉴于CD20在微绒毛上强烈表达，且mAb结合会导致细胞突起处Fc片段局部高浓度聚集，可以推测这些CD20-mAb寡聚结构会激活补体系统。活细胞成像显示，在I型和II型mAb结合下，B细胞以浓度依赖性方式发生极化，细胞一侧出现稳定的微绒毛突起，且微绒毛的突起长度也受到所用mAb浓度的强烈控制。这些类似“刺猬”的细胞可能会很好地触发巨噬细胞和自然杀伤细胞。

这项研究的重要性在于，它不仅为理解治疗性mAbs的作用机制提供了新的视角，还可能为开发更有效的mAbs药物提供理论依据。通过深入了解mAbs与CD20的相互作用细节，未来有望设计出更具针对性、更高效的治疗方案，以更好地利用人体自身的免疫系统来对抗B细胞相关的疾病，这对于提高患者的治疗效果和生存率具有重大意义。

接下来会发生什么？Arindam Ghosh博士说，以前将治疗性抗体分为I型和II型的做法不能再维持下去了。到目前为止，研究已经假设I型治疗性抗体的作用机制与II型抗体不同。然而，新研究反驳了这一点。JMU的研究人员说：“刺猬的形状使B细胞看起来好像它们想与另一个细胞形成免疫突触。”可以想象，经过处理的B细胞以这种方式激活免疫系统的巨噬细胞和自然杀伤细胞。研究小组现在将在进一步的研究中澄清这一假设是否正确。

参考资料

[1] Decoding the molecular interplay of CD20 and therapeutic antibodies with fast volumetric nanoscopy