Bestimmungsfaktoren IgG-vermittelter Komplementaktivierung

Antikörper (Immunoglobuline; IgG) sind mitunter die wichtigsten Moleküle unseres Immunsystems bei der Bekämpfung von Krankheitserregern und entarteten Körperzellen. Diese Y-förmigen Proteine können mit Hilfe ihrer zwei Ärmchen, den so genannten Fab-Regionen, spezifische Strukturen auf der Oberfläche von Viren, Bakterien und Tumorzellen erkennen und sich fest an diese binden. Der dadurch von der Oberfläche der markierten Zielzelle abstehende Stamm des Y-förmigen Antikörpers, die s.g. Fc-Region wird dann von weiteren Molekülen des Immunsystems erkannt, was im Idealfall die Durchlöcherung der Zellmembran und damit die Zerstörung der Zielzelle im Rahmen des klassischen Komplementpfades nach sich zieht. In unserem Blut gibt es vier unterschiedliche IgG-Antikörper Subklassen (IgG1 IgG4) welche sich strukturell hauptsächlich durch die Länge und Flexibilität der so genannten Hinge Region (Gelenk das die Fab und Fc Regionen im Zentrum des Y miteinander verbindet) unterscheiden. Im Zuge des vorliegenden Projektes werden wir untersuchen, wie genau diese unterschiedlichen IgG Subklassen die Zerstörung der Zielzelle einleiten. Von speziellem Interesse ist für uns dabei ob ein vor kurzem neu entdeckter Mechanismus welcher es IgG1 Antikörpern ermöglicht, sich unter gewissen Umständen bei der Bindung an eine Zielzelle in Antikörper-Hexamere (d.h. schneeflockenartige Strukturen aus je sechs Y-förmigen Antikörpern) anzuordnen, auch für die anderen Antikörper Sublassen (IgG2, IgG3 und IgG4) existiert. Für IgG1 stellt dies einen entscheidenden Schritt zur Aktivierung des klassischen Komplementpfades und damit der Zerstörung der Zielzelle dar und wir werden untersuchen ob dies auch für die anderen Subklassen zutrifft. Zudem werden wir weitere potentielle Einflüsse auf die erfolgreiche Aktivierung des Komplementsystems, wie die Bindungsstärke zwischen Antikörper und Zielzelle oder Unterschiede in der Antikörper Glykosylierung (der Art der angehängten Zuckermoleküle) genauer unter die Lupe nehmen. In unserem Fall ist diese Lupe eine Kombination aus mehrerer High-End Mikroskopie Techniken (Hochgeschwindigkeits-Rasterkraftmikroskopie, Einzelmolekül Fluoreszenzmikroskopie) sowie Techniken zur Quantifizierung der Wechselwirkungen zwischen Antikörper, Zellmembranen und Komplement-Proteinen (Einzelmolekül Kraftspektroskopie und Quarz-Kristall Mikrowaage), welche es uns gemeinsam erlauben werden diese Prozesse strukturell, sowie dynamisch also zeitaufgelöst - zu entschlüsseln. Das Projekt wird von Dr. Johannes Preiner (Projektleiter) in Zusammenarbeit mit Dr. Jaroslaw Jacak an der Fachhochschule Oberösterreich, Abteilung Medizintechnik, Campus Linz durchgeführt.

Der klassische Komplementweg ist ein wichtiger Mechanismus des menschlichen Immunsystems welcher bei der Beseitigung von Infektionen, aber auch in der gezielten Immuntherapie bei Krebserkrankungen, eine immer größere Rolle spielt. Dieser Mechanismus durch die Bindung von IgG Antikörpern an Oberflächenstrukturen (Antigenen) von infizierten Körperzellen, Bakterien oder Krebszellen initiiert und endet in deren Eliminierung. Die Fähigkeit das Immunsystem so zu aktivieren, unterscheidet sich dabei stark zwischen den vier im Menschen vorkommenden IgG Antikörper-Subklassen. Einen einheitlichen Mechanismus, der diese Unterschiede zu erklären vermag, gibt es bis dato nicht. Im Projekt wurden diese Unterschiede auf molekularer Ebene mittels mehrerer biophysikalischen Techniken experimentell charakterisiert, woraus ein mechanistisches Modell entstand mittels dessen nun mathematische Vorhersagen über die Aktivierung des klassischen Komplementweges gemacht werden können. Mittels Hochgeschwindigkeits-Rasterkraftmikroskopie konnten die ablaufenden molekularen Prozesse direkt "gefilmt" werden. Die zugrundeliegenden Wechselwirkungen wurden dann mittels Einzelmolekül-Kraftspektroskopie, Quarzkristall-Mikrowaage und Gitter-gekoppelter Interferometrie genau quantifiziert. Komplementär zu den biophysikalischen Methoden wurden gemeinsam mit Kooperationspartnern (Genmab, Niederlande) auch Zell- und Lipid-Vesikel basierte Assays durchgeführt. Es konnte unter anderem gezeigt werden, dass die Komplementaktivierung von der jeweiligen Fähigkeit der IgG Antikörper abhängt, ausreichend große Oligomere - das heißt Komplexe aus vier, fünf oder sechs IgG Antikörpern - auf antigenen Oberflächen zu bilden. Diese Oligomere werden dann durch einen weiteren Bestandteil des klassischen Komplementweges (das Komplementprotein C1) erkannt, welcher mit zumindest vier seiner insgesamt sechs möglichen Bindungsstellen andockt und in weiterer Folge aktiviert wird. Neben den Antikörper-Subklassen wurden auch der Einfluss von anderen Variablen wie Antikörperkonzentration, Antigendichte, Einwirkzeiten, Punktmutationen oder die molekulare Wirkung von Proteinen welche Bakterien zur Abwehr des Komplementsystems nutzen, genauer untersucht und zu einem kohärenten mechanistischen Modell zusammengeführt. Dieses kann zukünftig als Grundlage für die Optimierung von Antikörpern mittels Protein-Engineering und der besseren Planung von Immuntherapien dienen.