Разработка адресной системы на основе анти-HER2-скаффолдов и молекулярной пары барназа-барстар для ступенчатой доставки цитотоксинов при терапии HER2-положительных злокачественных новообразований.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-14-00112

НазваниеРазработка адресной системы на основе анти-HER2-скаффолдов и молекулярной пары барназа-барстар для ступенчатой доставки цитотоксинов при терапии HER2-положительных злокачественных новообразований.

Руководитель Деев Сергей Михайлович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-202 - Протеомика; структура и функции белков

Ключевые слова претаргетинг, ступенчатая доставка, инновационные адресные скаффолды, пара барназа-барстар

Код ГРНТИ34.15.51

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Адресная терапия опухолей и удаленных метастазов каждого конкретного пациента - основополагающая задача современной онкологии. Выбор схемы лечения, равно как успешность терапии, определяются индивидуальным молекулярным профилем опухоли. Для снижения побочных эффектов в процессе терапии представляется перспективным использовать ступенчатую доставку действующих агентов, или претаргетинг: на первой стадии к клетке определенного молекулярного профиля избирательно доставляется нетоксичный адресный модуль (антитело, неиммуноглобулиновые скаффолды), а на второй стадии - цитотоксический агент (токсины, радиоактивные изотопы), способный специфически взаимодействовать с адресным модулем, предварительно связавшимся с опухолевой клеткой-мишенью. Предполагается, что такая схема введения цитотоксического агента позволит улучшить его фармакокинетику и биораспределение, увеличить соотношение опухоль/органы, что в свою очередь позволит уменьшить пассивное поглощение цитотоксического агента здоровыми тканями и таким образом, снизить нежелательные побочные эффекты. Ключевой проблемой в системе ступенчатой доставки лекарства является высокоточное связывание in vivo адресного модуля и цитотоксического агента. С 1985 г. к решению этой проблемы разработано 4 основных подхода, основанных: 1) на нековалентном взаимодействии между стрептавидином и биотином (KD 10^15 М-1); 2) на использовании биспецифичных антител, способных взаимодействовать с мишенью на поверхности опухолевой клетки и с введенным цитотоксическим агентом (например, система «dock-and-lock» (Rossi E. et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2006, 103, 6841–6846); 3) на гибридизации комплементарных олигонуклеотидов (Westerlund K. et al. J. Nucl. Med. 2018, 59, 1092-1098); 4) на биоорганической клик-химии на основе тетразина и транс-циклоэтена (Altai M. et al., J. Nucl. Med. 2017, 58, 1553-1559). В тоже время проблема еще далека от разрешения, поскольку каждый из этих подходов имеет свои ограничения (гидрофобность, высокая иммуногенность и аллергенность стрептавидина, присутствие эндогенного биотина в организме; невысокая аффинность связывания компонентов с наномолярной константой диссоциации и биотехнологические проблемы производства биспецифических антител (агрегация, проблема растворимости), что приводит к дороговизне конечного продукта; в случае с синтетическими олигонуклеотидами селективность и скорость гибридизации очень сильно зависит от конкретной последовательности, также есть проблемы с растворимостью; нестабильность тетразина и транс-циклоэтена in vivo). Очевидно, что востребованы новые решения и подходы. Поэтому предлагаемая в данном проекте новая технология ступенчатой доставки обладает высокой степенью актуальности. В своей работе мы предлагаем систему ступенчатой доставки лекарства, в которой для высокоточного связывания in vivo адресного модуля и цитотоксического (или визуализирующего) агента впервые используется молекулярная пара барназа-барстар. Предполагается, что адресный модуль будет представлять собой белковый гибрид анти-HER2-скаффолда с одним из компонентов пары барназа-барстар, в то время как второй компонент этой пары будет связан с цитотоксическим (или визуализирующим) агентом. Для претаргетинга HER2-положительных опухолей мы предлагаем использовать инновационные неиммуноглобулиновые скаффолды – DARPins (Design Ankyrin Repeat Proteins), специфически взаимодействующие с различными эпитопами онкомаркера HER2 с константой диссоциации в наномолярном диапазоне (Boersma Y. et al. Curr. Opin. Biotechnol. 2011, 22, 849–857) и/или аффибоди (Löfblom J. et al. Curr. Opin. Biotechnol. 2011, 22, 843–848). Барназа и барстар - два небольших белка из Bacillus amyloliquefaciens, способных быстро образовывать прочный комплекс (KD 10^-14 М) (Hartley R.W. Methods Enzymol. 2001, 341, 599–611). Существенным преимуществом предлагаемой системы является гораздо более сильное взаимодействие (на 4-5 порядков больше) компонентов пары барназа-барстар, используемое на второй стадии доставки цитотоксического агента по сравнению со взаимодействием адресного модуля с опухолевой клеткой на первой стадии доставки, что в конечном итоге должно обеспечить быстрое, прочное и высокоселективное связывание цитотоксического агента с мишенью. В качестве цитотоксического агента предполагается в первую очередь использовать фрагмент псевдомонадного токсина PE40, который будет использован как в составе гибридного рекомбинантного белка с одним из компонентов пары барназа-барстар, так и в составе липосомной конструкции. Липосомы, нагруженные цитотоксическим белком, могут оказаться более функционально эффективными, чем «голый» белок, поскольку, во-первых, будет снижена иммуногенность чужеродного белка PE40, во-вторых, сам он будет защищен от деградации во время циркуляции по кровотоку. Для отработки системы доставки желательно иметь возможность визуализации доставляемой конструкции. Для этого предлагается дополнить цитотоксический агент визуализирующей меткой, в качестве которой могут быть использованы инфракрасные флуоресцентные белки (например, iRFP (Filonov G. et al. Nat. Biotechnol. 2011, 29, 757–761), λex/em 690/713 нм), и/или красители (например, iRDye800). Научная новизна проекта заключается в том, что впервые в мире в системе поэтапной доставки терапевтического агента к опухолевой клетке будет применена молекулярная пара барназа-барстар, обладающая рядом существенных преимуществ по сравнению с существующими на сегодняшний день подходами. Предлагаемый подход является новым применением оригинальной авторской технологии, которая ранее была использована для конструирования мультивалентных антител (Deyev S. et al. Nat. Biotechnol. 2003, 12, 1486-1492).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Прошкина Г.М., Деев С.М., Рябова А.В., Таянти Ф., Мензиани С., Кохен Р., Котривас Л., Котляр А. DARPin_9-29-Targeted Mini Gold Nanorods Specifically Eliminate HER2-Overexpressing Cancer Cells ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES, Том: 11 Выпуск: 38 Стр.: 34645-34651 (год публикации - 2019)
10.1021/acsami.9b10441

2. Воробьева А., Шульга А., Ринне С.С., Гюнтер Т., Орлова А., Деев С., Толмачев В. Indirect Radioiodination of DARPin G3 Using N-succinimidyl-Para-Iodobenzoate Improves the Contrast of HER2 Molecular Imaging. Int. J. Mol. Sci., V. 20. P. 3047. (год публикации - 2019)
10.3390/ijms20123047

3. Белова М. М., Шипунова В. О., Котельникова П. А., Бабёнышев А. В., Рогожин Е. А., Чередниченко М. Ю., Деев С. М. «Зеленый» синтез серебряных наночастиц, обладающих цитотоксической активностью, на основе вторичных метаболитов лаванды узколистной. Acta naturae, Т. 11. № 2(41). С. 66-72. (год публикации - 2019)

4. Деев С.М. Онкотераностика на основе супрамолекулярных структур. VI Съезд биохимиков России и IX Российский симпозиум «Белки и пептиды», Сочи – Дагомыс, 1–6 октября 2019. Научные труды. Том 2. – М.: Издательство «Перо», Т. 2, с. 3 (год публикации - 2019)

5. О.Н. Шилова, Д.В. Киселева, С.М. Деев. ERBB2-специфичный белок DARPin 9.29 показал низкую системную токсичность и иммуногенность. VI Съезд биохимиков России и IX Российский симпозиум «Белки и пептиды», Сочи – Дагомыс, 1–6 октября 2019. Научные труды. Том 2. – М.: Издательство «Перо», 2019., Т. 2, с. 109 (год публикации - 2019)

Публикации

1. Шрамова Е.И., Прошкина Г.М., Шипунова В.О., Рябова А., Камышинский Р., Коневега А., Шульга А.А., Коновалова Е.В., Телегин Г.Б., Деев С.М. Dual Targeting of Cancer Cells with DARPin-Based Toxins for Overcoming Tumor Escape. Cancers (Basel), 10, 12, 3014 (год публикации - 2020)
10.3390/cancers12103014

2. Деев С.М., Воробьева А., Шульга А.А., Абузаед А., Гюнтер Т., Гаруси Д., Коновалова Е.В., Динг Г., Грэслунд Т., Орлова А., Толмачев В.М. Effect of a radiolabel biochemical nature on tumor-targeting properties of EpCAM-binding engineered scaffold protein DARPin Ec1. Int J Biol Macromol., 145, 216-225. (год публикации - 2020)
10.1016/j.ijbiomac.2019.12.147.

3. Ходарович Ю.М., Рахманинова Д.Д., Кагарлицкий Г., Барышникова А.М., Деев С.М. Growth Retardation of Poorly Transfectable Tumor by Multiple Injections of plasmids Encoding PE40 Based Targeted Toxin Complexed with Poly-ethylenimine. Curr Gene Ther. (год публикации - 2020)
10.2174/1566523220999200817101422.

4. Ходарович Ю.М., Рахманинова Д.Д., Барышникова А.М., Деев С.М. Регулируемый доксициклином двухпромоторный интегратор на основе трансактиватора TET-ON 3G. Молекулярная биология, 2, 54, 308-312. (год публикации - 2020)
10.31857/S0026898420020056

5. Шипунова В.О., Шрамова Е.И., Шульга А.А., Шилова М.В., Деев С.М., Прошкина Г.М. Доставка барназы к клеткам в составе липосом, функционализированных HER2-специфичным модулем DARPin. Биоорганическая химия, 6, 46, 701–707. (год публикации - 2020)
10.31857/S0132342320060305

6. Деев С.М. Адресные агенты для тераностики. XXI Зимняя молодежная школа ПИЯФ по биофизике и молекулярной биологии, 24-29 февраля 2020 г., Репино. Научная программма. С.20-22. Издательство ПИЯФ. (год публикации - 2020)

7. Шилова М.В., Прошкина Г.М., Шрамова Е.И., Деев С.М. Система ступенчатой доставки цитотоксинов к HER2-положительным опухолям с использованием молекулярной пары барназа- барстар. XXXII Зимняя молодежная научная школа «Перспективные направления физико-химической биологии и биотехнологии». Сборник тезисов. Издательство: Институт биоорганической химии им. Академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН. Москва., С. 180 (год публикации - 2020)

Публикации

1. Шрамова Е.И., Шилова М.В., Рябова А.В., Джалилова Д.С., Зотова Н.А., Телегин Г.Б., Деев С.М., Прошкина Г.М. Barnase*Barstar-guided two-step targeting approach for drug delivery to tumor cells in vivo. Journal Controled Release, Nov 2;340:200-208 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jconrel.2021.11.001

2. Деев С.М., Ксю Т., Лию Ю., Шульга А., Коновалова Е., Гароуси Д., Ринне С., Ларкина М., Динг Х., Граслунд Т., Орлова А., Толмачев В., Воробьева А. Influence of the Position and Composition of Radiometals and Radioiodine Labels on Imaging of Epcam Expression in Prostate Cancer Model Using the DARPin Ec1. Cancers (Basel), 2021 Jul 17;13(14):3589 (год публикации - 2021)
10.3390/cancers13143589

3. М. Шилова, Е. Шрамова, А. Рябова, Г. Прошкина, С. Деев Barnase–Barstar molecular pair in a system for the stepwise delivery of cytotoxins to HER2-positive tumors FEBS Open Bio, FEBS Open Bio 11 (Suppl. 1) (2021) p. 405 (год публикации - 2021)
10.1002/2211-5463.13205