Перспективы использования сиалированных иммуноглобулинов в терапии различных заболеваний

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Министерства здравоохранения Российской Федерации

ФГБНУ «Научно-исследовательский институт морфологии человека»

ФГБНУ «Национальный медицинский исследовательский центр кардиологии»

ФГБНУ «Научно-исследовательский институт общей патологии и патофизиологии»

Перспективы использования сиалированных иммуноглобулинов в терапии различных заболеваний

Маркина Ю.В., Маркин А.М.

Собенин И.А., Орехов А.Н.

г. Москва, Россия

Резюме

Ключевую роль в борьбе с различными патогенами, направленную на выживание клеток и организма в целом играют иммуноглобулины. Данные о центральной роли гликозилирования были подтверждены в ходе многочисленных исследований течения множества заболеваний человека. В частности, изменение профиля гликозилирования антител наблюдается при воспалительных заболеваниях (аутоиммунитет, злокачественные новообразования), а также инфекционных и онкологических заболеваниях. Можно смело утверждать, что анализ гликозилирования антител может стать многообещающим дополнением для совершенствования существующих стратегий диагностики различных заболеваний. В дополнение к этому, специфические изменения молекул гликанов иммуноглобулинов можно использовать в терапии заболеваний различного рода моноклональными антителами, что подчеркивает важную роль гликанов в формировании эффекторной функции антител. Всё это будет способствовать очередному прорыву в области разработки терапевтических препаратов и вакцин следующего поколения.

Ключевые слова: гликаны, иммуноглобулины, антитела, воспаление, сиалирование.

Abstract

Review article prospects for the use of sialylated immunoglobulins in disease treatment

Y.V. Markina, A.M. Markin, I.A. Sobenin, A.N. Orekhov, Research institute of human morphology, National medical cardiology research center, research institute of pathology and pathophysiology

The central role of glycosylation has been well orders and cancer. The analysis of antibody glycoconfirmed in numerous studies. In particular, a sylation can lead to a promising improvement of change in the glycosylation profile of antibodies is existing strategies for the disease diagnosis. Specific changes in immunoglobulin glycan molecules can be used in the targeted therapy of multiple diseases, emphasizing the importance of glycans in antibody effector function. Altogether, use of sialylated immunoglobulins may contribute to the next breakthrough in the development of therapeutic drugs and vaccines of the next generation.

Keywords: Glycans, immunoglobulins, antibodies, inflammation, sialylation.

Введение

Иммуноглобулины появились 462 миллиона лет назад и в процессе эволюции сформировали разнообразные виды молекулярных структур, обладающих антиген-распознающими, антигенсвязывающими и эффекторными функциями, заключенными в одной молекуле [1].

Выделяют 5 основных классов константных доменов тяжелых цепей иммуноглобулинов, которые определяют изотипы IgM, IgG, IgA, IgD и IgE. IgG можно разделить на 4 подкласса: IgG1, IgG2, IgG3 и IgG4, IgA на IgA1 и IgA2, каждый из которых имеет свои биологические свойства [2].

Иммуноглобулины представляют собой гетеродимерные белки, состоящие из двух идентичных тяжелых цепей (Н) и двух идентичных легких цепей (L), соединенные между собой дисульфидными связями. Расположение дисульфидных связей между тяжелой и легкой цепями создает общеизвестную Y-образную форму, которая дополнительно стабилизируется гибкой шарнирной областью. Иммуноглобулины состоят из двух белковых доменов: Fab-фрагмента, отвечающего за связывание антигена, и Fc-фрагмента, который взаимодействует с Fc-рецептором на поверхности клетки и с некоторыми белками системы комплемента. Уникальная функция антител распознавать антигены обеспечена механизмом структурной перестройки антигенсвязывающего домена [3], а способностью Fc-домена связываться с различными клеточными рецепторами и белками системы комплемента, обеспечивая реализацию некоторых физиологических эффектов иммуноглобулинов -- опсонизации, лизиса клеток, дегрануляции тучных клеток, базофилов и эозинофилов [4].

Каждая тяжелая и легкая цепь обладает вариабельной (V) N-концевой областью, состоящей из 3 гипервариабельных областей (CDR) и 4 областей с относительно постоянной аминокислотной последовательностью. 3 CDR тяжелой цепи в сочетании с 3 CDR легкой цепи образуют антигенсвязывающий домен [5]. Константные домены тяжелой цепи способны к перегруппировке, что обеспечивает такие функции, как активация комплемента или связывание с Fc-рецепторами [6]. Кроме геномной селекции тяжелых цепей, контролирующей вариации Fc-домена, существует второй механизм гликозилирование. Данная модификация определяет функциональный потенциал антитела путем распознавания структуры Fc-области, изменения в которых меняют сродство антител к Fc-рецепторам [7].

Функциональные особенности гликозилирования иммуноглобулинов

Гликозилирование белков является достаточно динамичной посттрансляционной модификацией, играющей важную роль в регуляции взаимодействий молекул на клеточных поверхностях и функций секретируемых белков. Гликозилирование может влиять на секрецию, стабильность, растворимость, упаковку, связывание, конформацию, биологическую активность и антигенность [8]. Гликаны составляют до 15% веса IgG и представляют собой неотъемлемую часть молекулы [9]. Присоединение гликанов к белкам происходит через одну из двух молекулярных связей, либо по остаткам аспарагина (N-гликаны) или по сериновым/треониновым остаткам (O-гликаны). Однако в отличие от других белков, к которым могут быть добавлены десятки различных Nили O-связанных гликанов, гликаны IgG представлены достаточно консервативным составом N-связанных молекул сахаров [10].

IgG1 гликозилированы по аспарагину-297 в Fc-домене. Гликан антитела представлен гептасахаридом, состоящим из цепи из 2 остатков N-ацетилглюкозамина (GlcNAc), к которому присоединена манноза, далее следует разветвление 1,3 и 1,6 маннозы и дополнительный остаток GlcNAc на каждую маннозу. К маннозе могут дополнительно присоединяться остатки GlcNAc, и далее до 2-х галактоз на каждый остаток и до 2-х терминальных сиаловых кислот. Разнообразие получившихся гликанов влияет на их функциональные способности. Гликаны можно классифицировать по количеству остатков галактозы: не имеющие остатков галактозы (G0), имеющие один остаток галактозы (G1) или два остатка галактозы (G2). Интересно, что при воспалительных заболеваниях наблюдается увеличение количества агалактозилированных (G0) гликанов [11], и наоборот, повышенный уровень галактозилирования связан со снижением воспалительной активности препаратов антител [12].

Характер гликозилирования IgG изменяется при многих аутоиммунных заболеваниях [13]. Ревматоидный артрит (РА) и первичный остеоартрит были первыми заболеваниями, для которых была однозначно установлена связь с изменением состава гликома IgG. Обнаружено, что у пациентов, страдающих данными патологиями, был более высокий уровень агалактозилированных видов IgG-гликанов, чем в контрольной группе [14]. В последующие годы многочисленные исследования подтвердили, что уровень агалактозилированных видов гликанов IgG связан не только с тяжестью симптомов, активностью заболевания и его прогрессированием, но также позволяет прогнозировать реакцию заболевания на терапию [15]. Исследования гликома антигенспецифических IgG при РА показали, что они отличаются у антител к циклическому цитруллинсодержащему пептиду (ACPA) от общих IgG1 как в сыворотке (больше асиалилированных видов), так и в синовиальной жидкости (больше агалактозилированных и больше асиалилированных видов). Обнаружено, что гликопрофиль ACPA-IgG1 начинает меняться ещё до начала заболевания. У таких антител обнаружен более низкий уровень галактозилирования и более высокий уровень фукозилирования ядра [16].

Пониженный уровень галактозилирования IgG обнаружен при многих аутоиммунных заболеваниях, а также связан с их прогрессированием, активностью и тяжестью симптомов [17; 18; 19].

Всё вышесказанное лишь подтверждает предположение, что агалактозилированные виды IgG обладают повышенной способностью активировать систему комплемента через лектиновый путь активации, тем самым способствуя развитию воспаления как основного патологического механизма аутоиммунных заболеваний [20]. В свою очередь, высокосиалилированные IgG благодаря своим противовоспалительным и иммуносупрессивным свойствам играют важную роль в иммунном гомеостазе и профилактике аутоиммунных и воспалительных заболеваний [21]. Недавно были получены данные о том, что высокий уровень сиалилирования, по крайней мере частично, может быть обусловлен эстрогеном, который индуцирует экспрессию гена St6gal1, что, возможно, объясняет разницу в частоте заболеваемости РА между женщинами и мужчинами, а также между женщинами до и после менопаузы [22]. Некоторые исследователи высказывают предположения, что развитие некоторых аутоиммунных заболеваний связано со снижением уровня сиалилирования Ig. В случаях отдельных нозологий установлена связь между снижением уровня сиалилирования общего IgG и/или аутоантител IgG и патологической активностью аутоантител [23], тяжестью симптомов заболевания [24], его активностью и течением [25], а также ответом на лечение [26].

Противовоспалительное действие внутривенного иммуноглобулина, используемого для лечения ревматоидного артрита (РА) и других воспалительных состояний, обусловлено популяцией антител, несущих 2,6 сиалилированые гликаны Ig [27].

В отличие от аутоиммунных и аллоиммунных заболеваний, где антитела обычно участвуют в патологии заболевания, при инфекционных заболеваниях они призваны играть защитную роль. При большинстве инфекционных заболеваний показано изменение картины общего гликозилирования IgG в плазме/сыворотке. У антиген-специфических IgG, анти-Gal IgG при гепатите B и C обнаружен специфический профиль гликозилирования, который включает снижение галактозилирования, а также ассоциируется с тяжестью заболевания и степенью ассоциированного повреждения печени при гепатите C [28]. Интересно, что у анти-оболочечных антител вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) замечено снижение галактозилирования, сиалилирования и фукозилирования, а также снижение общего галактозилирования IgG [29].

Изменчивость гликома Ig обнаружена при онкологических заболеваниях. Первым заболеванием, при котором исследовали гликозилирование IgG, была множественная миелома, злокачественная опухоль из плазматических клеток (дифференцированных B-лимфоцитов, продуцирующих антитела). При этом заболевании наблюдается снижение галактозилирования IgG [30]. Обнаружено стадийно-зависимое повышение уровня терминально сиалилированных гликанов иммуноглобулинов [31]. Причем наблюдается интересная особенность: различные линии клонов В-клеток показывают различные профили гликозилирования IgG [32]. Одно из недавних исследований показало, что различия в гликозилировании IgG связаны с различными фазами заболевания (от доброкачественной до активной миеломы), а также связаны с реакцией на терапию [33]. Исследования гликозилирования IgG при различных других типах рака (например, (рак желудка, рак легкого, рак предстательной железы, немелкоклеточный рак, рак яичников) показали, что количество агалактозилированных IgG связано с прогрессированием заболевания и метастазированием [34, 35].

Профили гликозлирования Fab и Fc-фрагментов иммуноглобулинов

У здоровых людей от 15 до 25% Fab-фрагментов IgG гликозилированы [36]. Причем более равномерно, с более ограниченным гликановым профилем, чем Fc-домены. Изменение степени гликозилирования Fab-фрагментов IgG также отмечается при патологических состояниях человека. Например, увеличение содержания углеводов в Fab-фрагменте аутоантител при ревматоидном артрите до 80% было зафиксировано с одновременным двукратным снижением способности аутоантител связываться с антигеном. Исследования указывают на важность гликозилирования Fab при множественной миеломе [37]. При В-клеточной лимфоме было обнаружено появление новых сайтов N-гликозилирования Fab-фрагмента. N-гликозилирование Fab-фрагментов модулирует способность IgG связывать антиген, влияет на период полужизни антител, способность антител к агрегации и образование иммунных комплексов. Механизм влияния гликанов на эти свойства антител неясен. В большинстве случаев для объяснения этих эффектов исследователи выдвигали гипотезу о влиянии углеводного остатка на конформацию вариабельной области антитела.

Потеря остатков сиаловой кислоты Fab-фрагментом приводило к потере противовоспалительной активности [38]. Было обнаружено, что сиалилирование Fab-фрагмента играет важную роль в модуляции выделения цитокинов плазмоцитоидными дендритными клетками (pDCs). Так, обогащенные сиаловой кислотой Fab-фрагменты стимулировали выработку простагландина E2 моноцитами, что в конечном итоге подавляло секрецию IFN-a [39]. терапия гликозилирование моноклональный иммуноглобулин

В то же время гораздо больше исследований было посвящено гликозилированию Fc-фрагмента по сравнению с Fab-фрагментом IgG. Через Fc-фрагмент антитело выполняет свои эффекторные функции: индукция фагоцитоза, ADCC (антитело-зависимая клеточная цитотоксичность), CDC (комплемент-зависимая цитотоксичность), ADCP (антитело-зависимый клеточный фагоцитоз) и модуляция противовоспалительной активности [40]. У людей есть шесть классических рецепторов Fc (FcgRI, FcgRIIa, FcgRIIb, FcgRIIc, FcgRIIIa и FcgRIIIb), обнаруженных в различных комбинациях на всех врожденных иммунных клетках на разных уровнях экспрессии [41].

Иммуноглобулины и Fc фрагменты используются в терапии некоторых заболеваний, например, при их введении они блокируют аутоантителозависимые эффекторные функции [42]. Изучение роли гликозилирования Fc-фрагмента для активности внутривенных иммуноглобулинов показало, что отщепление концевых остатков сиаловой кислоты Fc-фрагмента делает внутривенные иммуноглобулины неспособными проявить противовоспалительную активность. И наоборот, противовоспалительная активность может быть повышена после сиалирования концевых остатков гликанов, связанных с Fc-фрагментом [43].

Использование искусственно сиалированных Fc-фрагментов подтверждает предположение о противовоспалительной активности сиалирования антител [44]. Механизм этого воздействия до конца не изучен, но существует несколько вероятных объяснений. Одна модель предполагает, что сиалирование стерически ограничивает область Fc-фрагмента, уменьшая сродство антитела к классическим Fc-рецепторам, одновременно повышая сродство к неклассическому Fc-рецептору DC-SIGN (мембранный белок, рецептор, продукт гена CD209). Было показано, что связывание DCSIGN управляет каскадом, запускающим синтез интерлейкина-33 (IL-33) дендритными клетками, IL-4 базофилами и, в конечном итоге, активацию ингибирующего FCgRIIb на макрофагах, тем самым неспецифично подавляя их провоспалительную активацию [45]. Однако другие структурные анализы показывают, что сиалилирование лишь незначительно изменяет структуру Fc-домена [46] и минимально влияет на связывание с DCSIGN [47]. Другие предлагаемые модели включают участие рецепторов, таких как Siglec/CD22 [48], иммунорецептор лектин-дендритных клеток С-типа [49] и Fc-рецептороподобный белок 5 [50], которые могут связывать сиалилированные структуры, чтобы стимулировать противовоспалительное действие.

Существенным дополнением являются данные об изменении с возрастом содержания агалактозилированных форм Fc фрагмента IgG в сыворотке крови человека. Известно, что количество G0 форм увеличивается, а доля сиалированных форм уменьшается. Интересно, что вызванное беременностью галактозилирование и сиалилирование IgG улучшает течение ревматоидного артрита. Также наблюдается снижение галактозы при системных васкулитах, таких как гранулематоз Вегенера и микроскопический полиангиит. Терминальное сиалилирование IgG-гликана можно рассматривать как защитную реакцию при аутоиммунных заболеваниях. Таким образом, введение IgG с сиалированным гликаном в организм оказывает мощное противовоспалительное действие, которое можно использовать в качестве основы для создания гликомодифицированных терапевтических моноклональных антител.

Заключение