Glycosylation as a fundamental factor affecting the properties of therapeutic antibodies

Immunoglobuliny klasy G (IgG) stanowią około 75% wszystkich przeciwciał występujących w osoczu ludzkiej krwi i odgrywają kluczową rolę w humoralnej odpowiedzi organizmu. W budowie przeciwciał możemy wyróżnić fragment wiążący antygen (Fab), który zawiera N-glikany w przypadku około 25% IgG, oraz fragment krystaliczny (Fc), który jest Nglikozylowany we wszystkich cząsteczkach IgG. Stałym miejscem glikozylacji fragmentu Fc jest asparagina 297 (Asn297), do której dołączony jest dwuantenowy N-glikan typu złożonego, niezbędny dla funkcji efektorowych przeciwciał. W przebiegu wielu chorób autoimmunizacyjnych a także nowotworowych dochodzi do zaburzeń w profilu N-glikozylacji IgG. Zmiana nawet pojedynczej reszty cukrowej N-glikanu wpływa na właściwości pro i przeciwzapalne IgG. Spadek sialilacji przeciwciał u chorych na reumatoidalne zapalenie stawów (RA) skutkuje zwiększeniem powinowactwa IgG do receptora Fc (FcR), co promuje ich właściwości prozapalne. Kluczowymczynnikiem wpływającym na pro lub przeciwzapalne właściwości IgG jest obecność fukozy (Fuc) rdzeniowej, która hamuje cytotoksyczność komórkową zależną od przeciwciał (ADCC). Dołączenie N-acetyloglukozoaminy przedzielającej, blokuje przyłączanie rdzeniowej Fuc, czego następstwem jest zwiększenie prozapalnych właściwości modyfikowanych IgG. W 1975 roku Milstein i Kӧhler opracowali klasyczną metodę produkcji przeciwciał monoklonalnych (mAb), która wraz z rozwojem inżynierii genetycznej została poddana różnym modyfikacjom, m.in w celu usprawnienia produkcji oraz zwiększenia specyficzności IgG. Umożliwiło to zaprojektowanie immunoglobulin rozpoznających dowolne antygeny białek stanowiących cel terapeutyczny w leczeniu różnych chorób. Ofatumumab, czyli ludzkie IgG1skierowane przeciwko antygenowi CD20 limfocytów B są stosowane w terapii przewlekłej białaczki limfatycznej. Tocilizumab, będący humanizowanym mAbs, umożliwia leczenie RA, natomiast wskazaniem terapeutycznym dla mysiego IgG2a anty-CD3 (muromonabu) jest profilaktyka reakcji odrzucenia przeszczepu. Terapeutyczne mAbs stosuje się także w leczeniu choroby Crohna (m.in infliximab, mAb przeciwko czynnikowi martwicy nowotworów, anty-TNF), osteoporozy (denosumab, mAb przeciwko ligandowi receptora aktywującego jądrowy czynnik NFKB, anty-RANK-L) czy raka jelita (cetuximab, mAb przeciwko receptorowi naskórkowego czynnika wzrostu, anty-EGFR). Glikozylacja mAb jest bardzo istotnym elementem umożliwiającym hamowanie lub stymulację aktywności układu odpornościowego, co jest kluczowe dla terapii chorób autoimmunizacyjnych i nowotworowych. Zmiany glikozylacji (głównie sjalilacji i fukozylacji) naturalnie występujących IgG w warunkach patologicznych stanowią przesłankę doprojektowania glikoform mAbs o określonych właściwościach terapeutycznych.

Immunoglobulins G (IgG) account for about 75% of all plasma antibodies in human blood and play a key role in the humoral response. In the structure of antibodies we can distinguish an antigen binding fragment (Fab), which contains N-glycans for about 25% of IgG, and a crystallizable fragment (Fc), which is N-glycosylated in all IgG molecules. Asparagine 297 (Asn297) is the conserved N-glycosylation site of Fc fragment, to which a biantenary compex-type N-glycan is attached, responsible for the antibody effector function. In the course of manyautoimmune diseases and cancer, N-glycosylation profile is altered. The change of even a single monosaccharide in the structure of N-glycan affects the pro and anti-inflammatory properties of IgG. The decreased sialylylation of immunoglobulins in patients with rheumatoid arthritis (RA) results in an increased affinity of IgG to Fc receptor (FcR), which promotes their pro-inflammatory properties. The main factor affecting the pro or anti-inflammatory properties of IgG is the presence of core fucose (Fuc), which inhibits antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity (ADCC). The addition of N-acetylglucosoamine blocks core fucosylation, and increases the pro-inflammatoryproperties of the modified IgG. In 1975, Milstein and Kӧhler developed the metod for monoclonal antibody (mAb) production, which, as genetic engineering developed, has been modified in various ways to improve production and increase IgG specificity. This made it possible to design immunoglobulins specific for any protein antigens which are therapeutic targets in the treatment of various diseases. Ofatumumab, which is humanized mAb directed against CD20 B cell antigen is used in the therapy of chronic lymphatic leukemia. Tocilizumab, which is a humanized mAb, enables the treatment ofRA and mouse IgG2a anty CD3 (muromonab) is important the prevention of transplant rejection. Therapeutic mAbs are also used for the treatment of Crohn's disease (including infliximab, mAb against tumor necrosis factor, anty-TNF), osteoporosis (denosumab, mAb against receptor activator for nuclear factor ligand, anty-RANK-L) and intestinal cancer (cetuximab, mAb against epidermal growth factor receptor, anty-EGFR). Glycosylation of mAbs is a very important factor that enables suppression or stimulation of immune system, which is crucial for the treatment of various autoimmune and cancer diseases. Changes in glycosylation (mainly sialylylation and fucosylation)of naturally occurring IgG under pathological conditions are the premise for creating mAbs with specific therapeutic properties.