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Fc Antigen-Binding Fragment Drug Conjugates as Novel Antibody-Based Format for Targeted Drug Delivery

Jäger, Sebastian Michael (2022):
Fc Antigen-Binding Fragment Drug Conjugates as Novel Antibody-Based Format for Targeted Drug Delivery. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00020360,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Fc Antigen-Binding Fragment Drug Conjugates as Novel Antibody-Based Format for Targeted Drug Delivery
Language: English
Abstract:

The fundamental prerequisite of therapeutic efficacy of antibody drug conjugates (ADCs) in solid tumors is the exposition of cancer cells to a therapeutically active dose of drug. One prominent strategy to maximize drug exposure, is to increase tissue penetration by smaller sized drug conjugates that extravasate faster and distribute deeper into the tumor. Fc antigen binding fragments (Fcabs) are engineered homodimeric 50 kDa Fc regions that incorporate all essential immunoglobulin G (IgG) functionalities such as neonatal Fc receptor (FcRn)-mediated recycling and antigen binding at only one-third of the size. The combination of reduced size and favorable pharmacokinetics makes Fcabs an attractive alternative to the conventional IgG scaffold employed in ADCs, with potentially improved tissue penetration capabilities. In the present study, Fcabs were explored for the first time as a novel scaffold for ADCs. For proof-of-principle, HER2- and EGFR-targeting Fcabs were selected, coupled to a pH sensitive dye, and subsequently tested for receptor-mediated endocytosis on tumor cells. Target-dependent cellular binding and uptake confirmed the suitability of the selected Fcabs for targeted intracellular drug delivery. Moreover, Fcabs were conjugated to cytotoxic monomethyl auristatin E (MMAE) employing site-specific enzymatic or cysteine coupling. The feasibility of Fcab-drug conjugates could be demonstrated by retained binding to target receptor and half-life prolonging FcRn, conjugation site dependent serum stability and target-mediated cell killing at sub-nanomolar to double digit nanomolar concentrations. Moreover, HER2-targeting Fcab-dye constructs were tested in a tumor cell spheroid model and showed elevated penetration compared to a 150 kDa Fcab derivative with unrelated Fab arms or to the clinically validated HER2-targeting antibody Trastuzumab. Overall, this study demonstrates the applicability of the Fcab format as targeting scaffold for the generation of drug conjugates and emphasizes the potential of Fcab drug conjugates for improved tumor penetration in solid cancers.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Grundvoraussetzung für die therapeutische Wirksamkeit von Antikörper-Wirkstoff-Konjugaten (ADCs) bei soliden Tumoren ist die Exposition der Krebszellen gegenüber einer therapeutisch wirksamen Dosis des Wirkstoffs. Eine mögliche Strategie zur Maximierung der Wirkstoffexposition besteht darin, die Gewebepenetration durch Verwendung kleinerer Wirkstoffkonjugate zu erhöhen. Diese extravasieren schneller und können sich tiefer im Tumorgewebe verteilen. Hier stellen Fc-Antigenbindungsfragmente (Fcabs) eine attraktive Alternative zu dem, in ADCs üblicherweise als Targetierungseinheit verwendeten, Immunglobulin G (IgG) dar. Fcabs sind gentechnisch veränderte, homodimere Fc Fragmente, die alle wesentlichen IgG Funktionen wie die Antigenbindung und das neonatale Fc-Rezeptor (FcRn) vermittelte Recycling in einem Molekül vereinen. Dabei weisen die 50 kDa schweren Fcabs nur ein Drittel der IgG Größe auf. Durch die Kombination aus geringerer Größe und guter Pharmakokinetik besitzen Fcabs eine potentiell verbesserte Gewebepenetration. In der vorliegenden Studie wurden Fcabs erstmalig als Targetierungseinheit für ADCs untersucht. Hierzu wurden verschiedene Fcabs ausgewählt, die an epidermale Wachstumsfaktorrezeptoren (HER2 oder EGFR) binden. Um deren Aufnahme in Tumorzellen zu untersuchen, wurden sie an einen pH sensitiven Farbstoff gekoppelt. Die rezeptorvermittelte zelluläre Aufnahme bestätigte die Eignung der ausgewählten Fcabs für die gezielte intrazelluläre Pharmakotherapie. Dementsprechend wurde durch ortsspezifische, enzymatische Konjugation oder Cystein-Kopplung der zytotoxische Wirkstoff Monomethyl-Auristatin E (MMAE) an die Fcab Moleküle konjugiert. Dabei blieb die Bindungsfähigkeit der erzeugten Fcab-Wirkstoffkonjugate an deren Zielrezeptor und den halbwertszeitverlängernden FcRn Rezeptor erhalten. Die Fcab-Wirkstoffkonjugate zeigten eine Target-vermittelte Zytotoxizität im subnanomolaren bis zweistellig nanomolaren Konzentrationsbereich und eine konjugationsstellenabhängige Serumstabilität. Darüber hinaus wurden HER2-targetierende Fcab-Farbstoffkonjugate in einem Tumorzell-Sphäroid-Modell getestet. Diese zeigten eine höhere Penetration im Vergleich zu einem 150 kDa Fcab-Derivat mit nicht targetierenden Fab-Armen oder dem klinisch zugelassenen HER2-targetierenden Antikörper Trastuzumab. Die vorliegende Arbeit erbringt den Machbarkeitsnachweis für die Anwendung des Fcab-Formats als Targetierungseinheit in Wirkstoff-Konjugaten. Die Studie zeigt außerdem das Potential von Fcab-Wirkstoffkonjugaten für eine verbesserte Tumorpenetration bei soliden Krebserkrankungen auf.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: VI, 172 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin, Gesundheit
Divisions: 07 Department of Chemistry > Fachgebiet Biochemie
Date Deposited: 04 Feb 2022 14:28
Last Modified: 04 Feb 2022 14:28
DOI: 10.26083/tuprints-00020360
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-203609
Referees: Kolmar, Prof. Dr. Harald ; Neumann, Prof. Dr. Siegfried ; Schmidt, Prof. Dr. Boris ; Niopek, Prof. Dr. Dominik
Date of oral examination: 17 January 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20360
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