Альтернативные каркасные белки в радионуклидной диагностике злокачественных образований

В настоящем обзоре обсуждается относительно новый класс направленных адресных молекул, активно исследующийся в отношении радионуклидной диагностики и лечения злокачественных образований. Используемые до настоящего времени полноразмерные антитела обладают неоптимальными фармакологическими свойствами, медленным распределением в организме, плохим проникновением в ткани, выведением почками и высокой иммуногенностью, что существенно затрудняет их применение в клинической практике. В течение последнего десятилетия большую популярность приобретают таргетные молекулы, получившие название «альтернативные каркасные белки» (АКБ) или «скаффолды» и отвечающие всем требованиям для оптимальной доставки радионуклида к опухолевым клеткам. Обычно АКБ имеют меньшие размеры по сравнению с антителом, но большие, чем пептиды, и характеризуются высокой аффинностью и оптимальными биохимическими, биофизическими, биологическими и экономическими характеристиками. Преимуществами таких белков являются их стабильная структура, хорошее проникновение в ткани, возможность дополнительной функционализации и ýкспрессия в бактериальной системе, обеспечивающая низкую стоимость производства.

Результаты проведенных к настоящему моменту доклинических и клинических исследований для диагностики злокачественных образований с использованием таких представителей АКБ, как аффибоди, аднектин, дарпины и пр., продемонстрировали высокую специфичность, аффинность, хорошую переносимость и низкую иммуногенность используемых препаратов. 

1. Чернов В.И., Медведева А.А., Синилкин И.Г., Çельчан Р.В., Брагина О.Д., Чойнзонов Е.Л. Ядерная медицина в диагностике и адресной терапии злокачественных новообразований. Бюллетень сибирской медицины. 2018; 17 (1): 220–231.

2. Tolmachev V., Orlova A., Andersson K. Methods for radiolabelling of monoclonal antibodies. Methods Mol. Biol. 2014; 1060: 309–330. DOI: 10.1007/978-1-62703-586-6-16.

3. Чернов В.И., Брагина О.Д., Синилкин И.Г., Медведева А.А., Çельчан Р.В.Радиоиммунотерапия: современное состояние проблемы. Вопросы онкологии. 2016; 62 (1): 24–30.

4. Nicholes N., Date A., Beaujean P., Hauk P, Kanwar M, Ostermeier M. Modular protein switches derived from antibody mimetic proteins. Protein Engineering, Design and Selection. 2016; 29: 77–85. DOI: 10.1093/protein/gzv062.

5. Чернов В.И., Брагина О.Д., Синилкин И.Г., Тицкая А.А., Çельчан Р.В. Радиоиммунотерапия в лечении злокачественных образований. Сибирский онкологический журнал. 2016; 15 (2): 101–106. DOI: 10.21294/1814-4861-2016-15-2-101-106.

6. Stumpp M., Binz H., Amstutz P. DARPins: A new generation of protein therapeutics. Drug Discovery Today. 2008; 13 (15–16): 695–701. DOI: 10.1016/j.drudis.2008.04.013.

7. Vazquez-Lombardi R., Giang Phan T., Zimmermann C., Lowe D., Jermutus L., Christ D. Challenges and opportunities for non-antibody scaffold drugs. Drug Discovery Today. 2015; 20 (10): 1271–1283. DOI: 10.1016/j.drudis.2015.09.004.

8. Plückthun A. Designed ankyrin repeat proteins (DARPins): binding proteins for research, diagnostics, and therapy. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 2015; 55: 489–511. DOI: 10.1146/annurev-pharmtox-010611-134654.

9. Azhar A., Ahmad E., Zia Q., Rauf M.A., Owais M., Ashraf G.M. Recent advances in the development of novel protein scaffolds based therapeutics. International Journal of Biological Macromolecules. 2017; 102: 630–641. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2017.04.045.

10. Hausammann S., Vogel M., Kremer J.A. Designed ankyrin repeat proteins: A new approach to mimic complex antigens for diagnostic purposes? PLoS One. 2013; 8: 1–9. DOI: 10.1371/journal.pone.0060688.

11. Moody P., Chudasama V., Nathani R.I., Maruani A., Martin S., Smith M.B., Caddick S. A rapid, site-selective and efficient route to the dual modification of DARPins. Chem. Commun. (Camb.). 2014: 50 (38): 4898–4900. DOI: 10.1039/c4cc00053f.

12. Kramer L., Renko M., Završnik J., Turk D., Seeger M.A., Vasiljeva O., Grütter M.G., Turk V., Turk B. Non-invasive in vivo imaging of tumour-associated cathepsin B by a highly selective inhibitory DARPin. Theranostics. 2017; 7 (11): 2806–2821. DOI: 10.7150/thno.19081.

13. Houlihan G., Gatti-Lafranconi P., Lowe D., Hollfelder F. Directed evolution of anti-HER2 DARPins by SNAP display reveals stability/function trade-offs in the selection process. Protein Eng. Des. Sel. 2015; 28 (9): 269–279. DOI: 10.1093/protein/gzv029.

14. Krasniqi A., D’Huyvetter M., Devoogdt N., Frejd F. Y., Sorensen J., Orlova A., Keyaerts M., Tolmachev V. Same-Day Imaging Using Small Proteins: Clinical Experience and Translational Prospects in Oncology. Journal of Nuclear Medicine. 2018; 59 (6): 885–891. DOI: 10.2967/ jnumed.117.199901.

15. Boersma Y., Pluckthun A. DARPins and other repeat protein scaffolds: advances in engineering and applications. Curr. Opin. Biotechnol. 2011; 22 (6): 849–857. DOI: 10.1016/j.copbio.2011.06.004.

16. Binz H., Stumpp M., Forrer P., Amstutz P., Plückthun A. Designing repeat proteins: well-expressed, soluble and stable proteins from combinatorial libraries of consensus ankyrin repeat proteins. J. Mol. Biol. 2003; 332 (2): 489–503. DOI: 10.1016/S0022-2836(03)00896-9.

17. Buday L., Tompa P. Functional classification of scaffold proteins and related molecules. The FEBS Journal. 2010; 277 (21): 4348–4355. DOI: 10.1111/j.1742-4658.2010.07864.x.

18. Петровская Л.Е., Шингарова Л.Н., Долгих Д.А., Кирпичников М.П. Альтернативные каркасные белки. Биоорганическая химия. 2011; 37 (5): 581–591.

19. Frejd F.Y., Kim K. Affibody molecules as engineered protein drugs. Experimental & Molecular Medicine. 2017; 49 (3): e306. DOI: 10.1038/emm.2017.35.

20. Good M.C., Zalatan J.G., Lim W.A. Scaffold Proteins: Hubs for Controlling the Flow of Cellular Information. Science. 2011; 332 (6030): 680–686. DOI: 10.1126/science.1198701.

21. Simeon R., Chen Z. In vitro-engineered non-antibody protein therapeutics. Protein Cell. 2018; 9 (1): 3–14. DOI: 10.1007/s13238-017-0386-6.

22. De Vos J., Devoogdt N., Lahoutte T., Muyldermans S. Camelid single-domain antibody-fragment engineering for (pre)clinical in vivo molecular imaging applications: adjusting the bullet to its target. Expert Opin. Biol. Ther. 2013; 13 (8): 1149–1160. DOI: 10.1517/14712598.2013.800478.

23. Miao Z., Levi J., Cheng Z. Protein scaffold-based molecular probes for cancer molecular imaging. Amino Acids. 2011; 41 (5): 1037–1047. DOI: 10.1007/s00726-010-0503-9.

24. Sorensen J., Sandberg D., Sandstrom M., Wennborg A., Feldwisch J., Tolmachev V., Åström G., Lubberink M., Garske-Román U., Carlsson J., Lindman H. First-in-human molecular imaging of HER2 expression in breast cancer metastases using the 111In-ABY-025 affibody molecule. J. Nucl. Med. 2014; 55 (5): 730–735. DOI: 10.2967/ jnumed.113.131243.

25. Sorensen J., Velikyan I., Sandberg D., Wennborg A., Feldwisch J., Tolmachev V., Orlova A., Sandström M., Lubberink M., Olofsson H., Carlsson J., Lindman H. Measuring HER2-receptor expression in metastatic breast cancer using [68Ga]ABY-025 Affibody PET/CT. Theranostics. 2016; 6 (2): 262–271. DOI: 10.7150/thno.13502.

26. Sandstrom M., Lindskog K., Velikyan I., Wennborg A., Feldwisch J., Sandberg D., Tolmachev V., Orlova A., Sörensen J., Carlsson J., Lindman H., Lubberink M. Biodistribution and radiation dosimetry of the anti-HER2 Affibody molecule 68Ga-ABY-025 in breast cancer patients. J. Nucl. Med. 2016; 57 (6): 867–871. DOI: 10.2967/jnumed.115.169342.

27. Nahta R., Yu D., Hung M.C., Hortobagyi G.N., Esteva F.J. Mechanisms of disease: understanding resistance to HER2-targeted therapy in human breast cancer. Nat. Clin. Pract. Oncol. 2006; 3 (5): 269–280.

28. Garousi J., Honarvar H., Andersson K.G., Mitran B., Orlova A., Buijs J., Löfblom J., Frejd F.Y., Tolmachev V. Comparative evaluation of Affibody molecules for radionuclide imaging of in vivo expression of carbonic anhydrase IX. Mol. Pharm. 2016; 13 (11): 3676–3687. DOI: 10.1021/acs.molpharmaceut.6b00502.

29. Strand J., Varasteh Z., Eriksson O., Abrahmsen L., Orlova A., Tolmachev V. Gallium-68-labeled affibody molecule for PET imaging of PDGFR beta expression in vivo. Mol. Pharm. 2014; 11 (11): 3957–3964. DOI: 10.1021/mp500284t.

30. Hanenberg M., McAfoose J., Kulic L. Amyloid-β peptide-specific DARPins as a novel class of potential therapeutics for Alzheimer disease. J. Biol. Chem. 2014; 289 (39): 27080–27089. DOI: 10.1074/jbc.M114.564013.

31. Tamaskovic R., Simon M., Stefan N., Schwill M., Plückthun A. Designed ankyrin repeat proteins (DARPins) from research to therapy. Methods Enzymol. 2012; 503: 101–134. DOI: 10.1016/B978-0-12-396962-0.00005-7.

32. Goldstein R., Sosabowski J., Livanos M., Leyton J., Vigor K., Bhavsar G., Nagy-Davidescu G., Rashid M., Miranda E., Yeung J., Tolner B., Plückthun A., Mather S., Meyer T., Chester K. Development of the designed ankyrin repeat protein (DARPin) G3 for HER2 molecular imaging. Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging. 2015; 42 (2): 288–301. DOI: 10.1007/s00259-014-2940-2.

33. Vorobyeva A., Bragina O., Altai M., Mitran B., Orlova A., Shulga A., Proshkina G., Chernov V., Tolmachev V., Deyev S. Comparative Evaluation of Radioiodine and Technetium-Labeled DARPin 9_29 for Radionuclide Molecular Imaging of HER2 Expression in Malignant Tumors. Contrast Media & Molecular Imaging. 2018; 2018: 6930425. DOI: 10.1155/2018/6930425.

34. Брагина О.Д., Ларькина М.С., Стасюк Е.С., Чернов В.И., Юсубов М.С.О., Скуридин В.С., Деев С.М., Çельчан Р.В., Булдаков М.А., Подрезова Е.В., Белоусов М.В. Разработка высокоспецифического радиохимического соединения на основе меченных 99mTc рекомбинантных адресных молекул для визуализации клеток с гиперýкспрессией Her2/neu. Бюллетень сибирской медицины. 2017; 16 (3): 25–33. DOI: 10.20538/1682-0363-2017-3-25–33.

35. Garousi J., Lindbo S., Nilvebrant J., Åstrand M., Buijs J., Sandström M., Honarvar H., Orlova A., Tolmachev V., Hober S. ADAPT, a novel scaffold protein-based probe for radionuclide imaging of molecular targets that are expressed in disseminated cancers. Cancer Res. 2015; 75: 4364–4371. DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-14-3497.

36. Lindbo S., Garousi J., Mitran B., Altai M., Buijs J., Orlova A., Hober S., Tolmachev V. Radionuclide tumor targeting using ADAPT scaffold proteins: aspects of label positioning and residualizing properties of the label. J. Nucl. Med. 2018; 59 (1): 93–99. DOI: 10.2967/jnumed.117.197202.

37. Natarajan A., Hackel B.J., Gambhir S.S. A novel engineered anti-CD20 tracer enables early time PET imaging in a humanized transgenic mouse model of B-cell non-Hodgkins lymphoma. Clin. Cancer Res. 2013; 19 (24): 6820–6829. DOI: 10.1158/1078-0432.CCR-13-0626.

38. Donnelly D.J., Smith R.A., Morin P., Lipovšek D., Gokemeijer J., Cohen D., Lafont V., Tran T., Cole E.L., Wright M., Kim J., Pena A., Kukral D., Dischino D.D., Chow P., Gan J., Adelakun O., Wang X.T., Cao K., Leung D., Bonacorsi S.J. Jr., Hayes W. Synthesis and biological evaluation of a novel 18F-labeled Adnectin as a PET radioligand for imaging PD-L1 expression. J. Nucl. Med. 2018; 59 (3): 529–535. DOI: 10.2967/jnumed.117.199596.