Molekulare Erkennung von Antikörpern beobachtet mit High Speed AFM

Die medizinische Anwendung der Nanotechnologie, die Nanomedizin, hat enormes Potenzial, die Gesundheitsversorgung zu verbessern. Durch sie werden Patho-Mechanismen von Krankheiten entdeckt und die molekulare Diagnostik verfeinert. Dieses neue Forschungsgebiet hat auch zur Entdeckung und Entwicklung von neuen Arzneimitteln geführt. Eine Vielzahl von hochmolekularen und nanopartikulären pharmakologischen Verbindungen, sowie Polymer-Wirkstoff-Konjugate mit rezeptorspezifischen Erkennungsstellen, werden bereits genutzt. Dazu gehören auch Antikörper, die als ausgezeichnete natürliche Nano-Arzneimittel betrachtet werden können. Die hohe Spezifität für ihre spezifischen Antigene bildet ein Paradigma für die molekulare Erkennung. Dies kann in vielen Anwendungen in der Biochemie, der Molekularbiologie, der medizinischen Forschung und zunehmend auch in der Therapie von Krebs, Autoimmunerkrankungen und Infektionserkrankungen ausgenutzt werden. Antikörper spielen auch eine Schlüsselrolle bei der Opsonisierung von Krankheitserregern durch die Assemblierung in Cluster, welche die Phagozyten anziehen und damit die Bindung des Komplementsystems fördern, was schlussendlich zur Klärung der Eindringlinge führt. Die jüngsten Entwicklungen in der Nanomedizin weisen den Weg zu einer effektiveren Behandlung von Krankheiten. Es ist sehr wichtig, unser Verständnis über die nanomechanischen Eigenschaften von Antikörpern im Prozess der Antigenerkennung zu schärfen und neue Antikörper- Strukturen zu entwickeln. Zu diesem Zweck ist eine detaillierte Beschreibung der dynamischen Prozesse bei der Antikörper-Antigen-Bindung und -Dissoziation auf molekularer Ebene erforderlich. Die Rasterkraftmikroskopie ist die Methode der Wahl für molekulare Messungen unter physiologischen Bedingungen in Bezug auf hochauflösende Bildgebung, Lokalisierung von spezifischen Antigenen, sowie zur Messung der Stärke von Antikörper-Antigen-Bindungen und anderen nanomechanischen Eigenschaften. Wir wollen daher die Atomkraftmikroskopie verwenden, um die dynamischen und nanomechanischen molekularen Eigenschaften von therapeutischen Antikörpern und neuen Antikörper-Strukturen zu charakterisieren. Dabei sollen die Charakteristika von optimalen klinischen Kandidaten identifiziert werden, welche die Medikamentenentwicklung erleichtern.

Das Projekt konzentrierte sich auf zwei medizinisch hoch relevante Systeme: (a) auf den Vergleich der dynamischen und nanomechanischen Eigenschaften verschiedener IgG-Unterklassen, die agonistisch an den Rezeptor CD40 binden, und (b) auf die Bindung von Antikörpern an das breit exprimierte mikrobielle Antigen Poly-N-Acetyl-Glucosamin (PNAG), das sich auf der Oberfläche der wichtigsten Erreger mehrerer schwerer Krankheiten befindet. Antikörper können an bakterielle Zellwandbestandteile (d. h. PNAG) binden und die anfängliche Anheftung an die Zieloberfläche blockieren und die Biofilmbildung verhindern (Raafat et al., 2019). Daher ist ein vollständiges Verständnis der Dynamik und Kinetik der PNAG-Bindung und des Dissoziationsmechanismus an oberflächengebundene Antikörper (vor allem IgG) auf Einzelmolekülebene wichtig. Menschliche monoklonale Antikörper (MAbs), die für die Erforschung von PNAG verwendet werden, zeigen unterschiedliche Aktivitäten in Bezug auf ihre Komplement-abgebende Wirkung. Sie haben jedoch identische konstante H- und L-Regionen, da zwei verschiedene Paare von variablen V- und H-Regionen in denselben Vektor kloniert wurden. MAb F598 bindet an PNAG und lagert Komplement auf der Bakterienoberfläche ab, wodurch ein Schutz gegen Infektionen bei Tieren erreicht wird. Im Gegensatz dazu zeigt MAb F628 eine geringe Bindung an PNAG und eine unzureichende Bindung von Komplement an die bakterielle Oberfläche (Casie Kelly-Quintos et al. und Gerald B. Pier, 2006). Obwohl MAb F598 im Vergleich zu MAb F628 in Bezug auf die Antigenbindung überlegen ist, sind die beteiligten molekularen Kräfte nicht bekannt. Die bei der Erforschung des CD40-Systems verwendeten IgG-Unterklassen und -Isoformen unterscheiden sich durch ihre Aminosäuresequenz in der Scharnierregion, z. B. Disulfidbindungen und Scharnierlänge. Ziel des Projekts war es, die Auswirkungen dieser Unterschiede in der Scharnierregion auf die Antigen-Antikörper-Bindungsdynamik und -kinetik zu untersuchen und ein tieferes Verständnis für ihren Einfluss auf den Bindungsmechanismus der Antikörperkopplung an das Antigen zu erlangen.