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Resea

Propiedades moleculares de las subclases de IgG humanas y sus implicaciones en el diseo de anticuerpos monoclonales teraputicos contra enfermedades infecciosas

Vashti Irania, Andrew J. Guy, Dean Andrew, James G. Beeson, Paul A. Ramsland, Jack S.

1. Introduccin

El descubrimiento de Emili von Behring de las antitoxinas

para la difteria, ttano y ntrax en 1901, llev

eventualmente al descubrimiento de los anticuerpos. Un

siglo despus, el uso de anticuerpos teraputicos (ThAb) se

ha vuelto una de las reas de mayor crecimiento de la

industria farmacutica; aun as, irnicamente, el desarrollo

de ThAb monoclonales contra enfermedades infecciosas ha

sido lento, comparado con la mayora de otros campos.

Queda todava un considerable vaco de conocimiento en la

identificacin de los roles de ThAb contra enfermedades

infecciosas especficas, as como las propiedades

moleculares exactas requeridas para asegurar que los ThAb

induzcan las funciones deseadas, evitando reacciones

adversas. Es bien sabido que los principales isotipos de

inmunoglobulinas humanas tienen funciones estructurales

nicas que les permiten realizar funciones inmunolgicas

especficas (Fig. 1). En esta resea, nos concentramos en IgG

y sus subclases y resaltamos la compleja relacin estructura-

funcin, que es crtica para desarrollar ThAb monoclonales

ms seguros y efectivos (TablaS1). Situamos este

conocimiento en el contexto de enfermedades infecciosas y

resaltamos cmo los estudios deberan evaluar ahora las

mejores subclases de IgG o las propiedades moleculares

requeridas para tratamientos efectivos de enfermedades

infecciosas especficas.

Actualmente, un amplio repertorio de ThAb monoclonales

estn licenciados, con cientos ms en desarrollo preclnico y

clnico. Estos ThAb son administrados para un amplio rango

de enfermedades, aunque la gran mayora son usados para

tratar cncer, desrdenes autoinmunes y trasplantes (Fig. 2A

y tabla S2). Es interesante notar que a pesar del claro papel

que los anticuerpos desempean contra muchas

infecciones, slo hay dos ThAb monoclonales licenciados

que tienen como objetivo agentes infecciosos (Palivizumab

contra el virus sincitial respiratorio humano y Raxibacumab

contra Bacillus anthracis) (Tabla 1). La mayora de ThAb

licenciados son de tamao completo en vez de fragmentos

Fab (Fig. 2B). Los beneficios de usar ThAb de tamao

completo incluyen mayor vida media en suero como

resultado de la interaccin con FcRn, efecto o funcin

mejorados mediante el acoplamiento con receptores Fc y,

en algunos casos, una neutralizacin ms efectiva

comparada con el fragmento Fab correspondiente. La

mayora de los ThAb aprobados anticuerpos IgG

humanizados o completamente humanos. Anticuerpos

quimricos o basados en murinae (ratas) conllevan un riesgo

incrementado de reacciones anti murinicas en los pacientes.,

y ha habido un movimiento general hacia el uso de un

andamio humano en el desarrollo de potenciales ThAb.

Resumen

Anticuerpos monoclonales estn siendo desarrollados como teraputicos para complementar drogas y

vacunas, o para llenar el vaco donde ninguna droga o vacuna existe. Estos anticuerpos teraputicos

(ThAb) pueden ser especialmente importantes para enfermedades infecciosas en las cuales hay

resistencia antibitica, patognesis mediada por toxinas, o patgenos emergentes. La estructura nica

de los anticuerpos determina la naturaleza especfica de sus efectos o funciones, por lo que al

desarrollar ThAb, los efectos o funciones deseados necesitan ser considerados e integrados en los

procesos de diseo y desarrollo para asegurar la mxima eficacia y seguridad. Es crtico tener en

consideracin la subclase de los anticuerpos, y es notable que casi todo ThAb que est licenciado o

actualmente en desarrollo, utiliza una IgG1 como cimiento. Esta resea describe las principales

propiedades estructurales que varan entre cada subclase, cmo es que estas propiedades afectan la

inmunidad funcional, y discute los diferentes acercamientos usados para estudiar la respuesta de las

diferentes subclases a enfermedades infecciosas. Tambin analizamos los factores asociados a la

seleccin de las subclases de anticuerpos durante el diseo de las ThAb y subrayamos circunstancias

donde las diferentes propiedades de las subclases pueden ser beneficiosas al ser aplicadas contra

enfermedades infecciosas especficas. Estos enfoques son crticos para el futuro diseo de ThAb y para

el estudio de la inmunidad naturalmente adquirida y la inducida por vacunas.

Mientras el uso de IgG intacta permite la seleccin de

subclases de IgG para desempear funciones efectoras

especficas, esto no es reflejado en el rango actual de

anticuerpos licenciados en los que la mayora son IgG1 (Fig.

2D y Tabla S2).

Probablemente, esto es porque la IgG muestra funciones

efectoras potentes, siendo la ms predominante de las

subclases de suero, y fue el cimiento usado en los primeros

ThAb aprobados. Interesantemente, no existen ThAb de

IgG3 aprobadas, con posibilidad de que esto sea debido a (i)

una afinidad aumentada a protelisis debido a una extensa

regin bisagra, (ii) los muchos alotipos de IgG3 entre

diferentes poblaciones, (iii) que las IgG3 no puedan ser

purificadas con protena A, o (iv) la reducida vida media en

suero de la IgG3 comparada con otras subclases (Tabla S1).

En este anlisis, proveemos una visin concisa del efector

conocido de la IgG humana y propiedades de subclases

(Seccin 2) y discutimos cmo est informacin puede ser

usada en el diseo de ThAb para enfermedades infecciosas

(Seccin 3).

2. Propiedades moleculares de las subclases de IgG relevantes para

anticuerpos teraputicos Las IgG consisten de dos cadenas pesadas y dos cadenas

ligeras con las principales caractersticas moleculares

descritas en la Fig. 1B. En la IgG, la regin del fragmento de

unin al antgeno (Fab) contiene al paratope, y puede ejercer

diferentes efectos, haciendo posible las interacciones con el

antgeno (por ejemplo, bloqueando una protena de

reconocimiento del hospedero o inhibiendo una

toxina/enzima de un patgeno). Mientras tanto, la regin de

fragmento cristalizable (Fc) interacta con una variedad de

molculas accesorias para mediar funciones efectoras

indirectas, tales como citotoxicidad celular dependiente de

anticuerpos (ADCC), fagocitosis celular dependiente de

anticuerpos (ADCP) y citotoxicidad dependiente de

complemento (CDC) (Fig. 3A y B). Las funciones efector

mediadas por Fc son especialmente importantes contra

enfermedades infecciosas donde respuestas celulares y de

complemento son importantes para la eliminacin eficiente

del patgeno.

Las propiedades estructurales y funcionales de las subclases

de IgG varan, as como su respuesta se perfila contra

diferentes enfermedades infecciosas, y estas diferencias

pueden ser utilizadas en el desarrollo de ThAb efectivos. A

pesar de que las cadenas pesadas comparten ms del 90%

de identidad en sus secuencias entre las subclases de IgG,

hay diferencias en los residuos expuestos en la superficie en

los dominios constantes (CH1, CH2 y CH3), as como una

variacin sustancial en la regin bisagra [hinge region] (Fig.

3C, D y Tabla S1). Es la estructura de bisagra la que confiere

muchas de las propiedades nicas para cada subclase de IgG,

como estabilidad, flexibilidad y distancias abarcadas por las

dos Fab y la Fc acomodadora. Considerablemente, algunas

reas del Fc y de la bisagra que difieren entre subclases de

IgG, claramente se sobreponen con residuos que se sabe

estan involucrados con unirse con receptores activadores e

inhibidores Fc (FcR), el receptor neonatal para IgG (FcRn)

y el componente complemento C1q (Fig. 3A and B). La

ocurrencia de diferencias en aminocidos clave en los sitios

de unin de estas molculas efectoras, ayuda a explicar las

diferencias observadas en las propiedades efectoras de las

subclases de IgG (Tabla S1). Esta informacin estructural y

molecular es importante al escoger una subclase como base

para un anticuerpo teraputico o para introducir cambios en

aminocidos clave para adaptar anticuerpos para un

propsito especfico.

2.1. Sitio de unin en GgG-Fc para FcyRs activadoras e

inhibidoras

La regin de fragmento cristalizable (Fc) de las IgG

interacta con diversos FcRs para estimular y regular

el flujo de mecanismos efectores. Hay cinco

receptores activadores, llamados FcRI (CD64), FcRIIa

(CD32a), FcRIIc (CD32c), FcRIIIa (CD16a) y FcRIIIb

(CD16b),y un receptor inhibidor, FcRIIb (CD32b). Las

subclases de IgG varan en su habilidad de unirse a

FcR, y esta diferencia en la unin determina su

habilidad para desencadenar un gran rango de

respuestas funcionales.

Fig. 1. Estructura de un anticuerpo y nomenclatura. (A) Los potenciales isotipos, subclases y alotipos de inmunoglobulinas en humanos. Tanto la letra como el cdigo son provistos para cada alotipo. (B) Esquema ilustrando la estructura bsica de un anticuerpo y su nomenclatura asociada. La cadena ligera (en marrn) consiste de un dominio variable (VL) y uno constante (CL), mientras que la cadena pesada (en gris) consiste de un dominio variable (VH) y tres dominios constantes (CH1, CH2, CH3). Uniones de disulfuro intercatenarias en el rango de la regin bisagra estabilizan el total de la estructura del anticuerpo. Las regiones determinantes de complementariedad (CDR, rayas cruzadas) determinan especificad antignica. Los patrones de glicosilacin pueden tambin afectar la funcin (en verde).

Fig. 2 Estructura y dianas de anticuerpos teraputicos licenciados. La lista actual (2014) de anticuerpos teraputicos que han sido licenciados para su uso en EE.UU. y la UE los clasifica en (A) enfermedad para la que fueron aprobados inicialmente, (B) estructura del anticuerpo (tamao completo o fragmentos Fab), (C) tipo de especie del anticuerpo (e.j. murina, quimrica, humanisada, totalmente humana), y (D) subclase de anticuerpo. Estas figuras fueron hechas con datos de la Sociedad de Anticuerpos (2014) y la tabla de datos usada para preparar estas cifras est provista en los materiales suplementarios (Tabla suplementaria S2). *Panel A: otras indicaciones incluyen prevencin de cogulos de sangre, prdida de masa sea, asma, degeneracin macular, hemoglobinuria nocturna paroxstica y sndrome de Mackle-Wells.

Fig. 3 Entendimiento estructural para las interacciones Fc y las diferencias entre subclases de IgG. (A) Un esquema generalizado de un anticuerpo con sitios de adherencia mayores [receptores Fc (magenta), C1q (cian) y FcRn(morado)] superpuestos. (B) Estructura dristalina de la regin Fc de la IgG1 (PDB: 1FC1) (Deisenhofer, 1981) con todas las diferencias de aminocidos entre subclases resaltadas. Los residuos que difieren de la IgG1 estn en negrita. Los allotipos (alelos de un anticuerpo) usados fueron IgG1 (G1m,17), IgG2 (G2m..) y IgG3 (G3m5*). (D) Alineacin de los residuos de bisagra entre las cuatro subclases. Los residuos estn numerados usando el esquema de numeracin de la UE; este esquema est basado en secuencias de IgG1 y por ende no asigna nmeros para la mayor parte de la secuencia bisagra de IgG3 (por ser muy larga). Las figuras B y C fueron construidas usando Accrelys Discovery studio visualizer (versin 3.5).

Por ejemplo FcRIIIa es el mayor receptor involucrado en la

activacin de ADCC y la IgG3 seguida inmediatamente de la

IgG1 muestran las afinidades ms altas por este receptor,

reflejando su actividad para inducir potencialmente ADCC.

La regin de unin de FcR en la IgG incluye partes de CH2 y

la bisagra, con la unin influenciada por glicosilacin en

N297. Residuos especficos que interactan con FcR en la

IgG han sido identificados por medio de cristalografa de

rayos X de complejos de IgG1-Fc con los diferentes FcRs.

Muchos de estos estudios han demostrado que hay residuos

conservados en la IgG involucrados en la unin con todos los

FcyRs. Sin embargo, otros residuos de IgG varan en su

interaccin con los diferentes FcyRs y algunos de estos

residuos difieren entre las subclases de IgG, lo que ayuda a

explicar los diferentes perfiles de unin de FcyR en las

subclases de IgG. Esto ha proporcionado una visin

especfica de los residuos requeridos para la interaccion de

IgG con los receptores involucrados en ADCC y ADCP. La

posibilidad de usar secuencias especficas de subclases para

adaptar la unin de diferentes FcyRs debe ser considerada

cuando se desarrolle la IgG teraputica con las funciones

efectoras dependientes de anticuerpos deseados.

2.2 Deposicin del complemento y CDC por IgG

En el clsico camino del complemento, IgG se une al

antgeno para formar complejos inmunes, que luego

interactan con C1 y desencadenan una jerarqua de

interacciones y reacciones enzimticas que pueden llevar a

la formacin del complejo de ataque a la membrana y CDC,

resultando en la liquidacin del patgeno. La deposicin de

C1q (unin a IgG-Fc), ocurre con IgG1, 2 y 3, con IgG3 siendo

la ms efectiva; IgG4 no es capaz de interactuar con C1q.

Curiosamente, la eficiencia de deposiciones de C1q no se

correlacionan con la actividad de CDC, en la que IgG1 es la

subclase ms potente de IgG. El fundamento estructural

para esta diferencia entre la unin de C1q y CDC por las

subclases de IgG queda an irresuelto. Aqu brevemente

resumimos lo que es conocido acerca de la interaccin de

IgG y C1q.

El sitio de unin de IgG1 para C1q ha sido localizado en el

dominio CH2 y los residuos especficos implicados en la

interaccin se han estudiado usando mutagnesis de IgG1.

Mostramos la ubicacin del sitio de unin C1q en una

representacin diagramatica de IgG (Fig 3A) y la estructura

cristalina de IgG1-Fc (Fig 3B). Aunque cada IgG tiene dos

sitios de union para C1q en lados opuestos del Fc, slo un

sitio necesita ser implicado en la unin de C1q. Mientras la

estructura cristalina de IgG unida a C1q no se ha

determinado, la estructura cristalina de C1q se ha modelado

con IgG1 y sugiere una conformacin de C1q e IgG1 que

tambin puede implicar el fragmento Fab. Un estudio

reciente usando tomografa crio-electrn sugiere que el

antgeno unido a IgG1 puede formar una estructura

hexamerica que interacta eficientemente con el hexmero

C1q de una manera reminiscente a la IgM polimrica.

2.3 La unin de IgG a FcRn determina la vida media y el

transporte de la placenta.

La interaccin de IgG con FcRn es importante en el contexto

del transporte placentario y la vida media en suero. El FcRn

tiene homologa estructural con MHC I y tambin participa

en la presentacin de antgenos. Los residuos responsables

de la unin de IgG a FcRn fueron aclarados utilizando

principalmente las estructuras cristalinas de FcRn de rata o

de humano, y se indican en una representacin de IgG y en

la estructura 3D de la estructura de IgG1-Fc (Fig 3B). El sitio

de unin FcRn en IgG se produce en la unin entre los

dominios CH2 y CH3, un rea rica en residuos de histidina,

en la cual H310 y H435 se considera actan como sensor de

pH en la unin de IgG.

De las subclases de IgG, IgG3 tiene la vida media ms corta

con aproximadamente 7 das, lo cual es debido en gran parte

a una arginina en la posicin 435 que sustituye a la histidina

presente en todas las otras subclases de IgG. Despus de su

absorcin por endosomas recicladores, la unin de IgG3 a

FcRn est competitivamente inhibida por IgG1, que tiene

una mayor afinidad de unin por FcRn; la IgG3 no unida, es

degradada en lugar de ser de vuelta a la circulacin, lo que

explica su vida media ms corta. Un alotipo de IgG3 (G3m15)

con H435 no tiene una vida media reducida, destacando la

importancia de residuos de histidina en la afinidad de unin

en general para FcRn. En consecuencia, la produccin de

IgG3 humana con H435 debera conducir a candidatos Thab

con vidas medias largas in vivo similar a otras subclases de

IgG.

Es interesante observar que aunque el FcRn tambin est

implicado en el transporte placentario, IgG2 se observa a

menudo como el menos eficiente en comparacin con otras

subclases. La razn del transporte placentario ineficiente de

IgG2 no se entiende claramente, pero la proporcin de

isotipos de cadena ligera ( o ) no es un factor. La

comprensin de las interacciones de los receptores

especficos que modulan el transporte placentario, mas no

su vida media en suero, puede ser til cuando se produce

ThAb para uso durante el embarazo.

2.4. La glicosilacin de IgG-Fc impacta en la funcin efectora

Todas las IgG contienen un sitio de glicosilacin conservados

en N297 en CH2, contribuyendo a la conformacin

estructural de la Fc requerido para la unin a FcR, FcRn y

C1q (Fig 1B). Los N-glicanos en Fc son estructuras complejas

principalmente di-antenarios con ncleo de 1-6 fucosilacin

del residuo N-acetil glucosamina (GlcNAc) unido a N297,

pero una gran variedad de glicoformas se han descrito en IgG

normal y recombinante. Estos patrones diferentes de

glicosilacin imparten cambios estructurales en la regin Fc,

que a su vez afecta a la funcin efectora de anticuerpos.

Aunque hay evidencia de que los patrones de glicosilacin

pueden diferir entre subclases, el impacto en las funciones

efectoras de IgG no ha sido bien caracterizado. La

glicosilacin de IgG tambin se ve afectada por un nmero

de factores incluyendo la edad, el embarazo, enfermedad

inflamatoria e infeccin. Les referimos a los lectores que

busquen revisiones detalladas en la glicosilacin de

inmunoglobulina para ms informacin.

2.5. Alotipos de subclases de IgG

La variacin alotpica (polimorfismos) en cadenas pesadas de

IgG (Gm) tiene el potencial de influir en las respuestas de IgG

inducidas tanto naturalmente o por vacunas. El nmero de

alotipos para cada subclase IgG vara: IgG1 tiene 4, IgG2

tiene 2, IgG3 tiene 13 e IgG4 no tiene ninguno (Fig 1A). Estos

alotipos de IgG han sido en ocasiones asociados a una mayor

proteccin contra ciertas enfermedades. Es importante

destacar que se ha sugerido que el alotipo de un ThAb puede

contribuir a la resistencia a la terapia asociada a respuestas

inmunes anti-Thab. Hasta la fecha, slo unos pocos estudios

han investigado claramente los efectos del desajuste del

alotipo en el desarrollo de respuestas anti-Thab. En estos

estudios, no hubo asociacin significativa entre el alotipo de

IgG y la aparicin de respuestas de anticuerpos anti-

monoclonales. Sin embargo, se necesita ms investigacin

para conclur de forma segura que un alotipo no influye en

las respuestas anti-Thab, sobre todo porque relativamente

pocos alotipos se han probado en la clnica.

2.6. La subclase IgG y la ingeniera de Fc

La ingeniera de Fc ha sido importante para el desarrollo de

anticuerpos teraputicos con actividad potente y especfica,

as reduciendo tanto la dosificacin y los efectos secundarios

potenciales. La comprensin de las diferencias entre las

subclases de IgG se ha utilizado en la produccin de Fc y los

estudios han demostrado que la introduccin de residuos

especficos de una subclase a otra puede transformar ciertas

funciones efectoras, mientras que conserva las dems. Los

ejemplos incluyen la produccin de IgG2 con residuos de

IgG4 para la extripacin de las funciones efectoras o la

produccin de IgG3 con residuos procedentes de otras

subclases para aumentar su vida media. Este enfoque se

complementa con otros mtodos tales como la evaluacin

de los mutantes de alanina, mtodos de cribado de alto

rendimiento computacionales o la resolucin de la

estructura de los dominios Fc mutados. Estos enfoques de

ingeniera Fc son pertinentes en el contexto de las

enfermedades infecciosas, como la funcin efectora de

anticuerpos especficos es a menudo crtica en la eliminacin

eficiente del patgeno. Los anticuerpos de Fc tambin se han

modificado para eliminar los sitios de protelisis bacteriana,

que se cree es un modo de evasin inmune de ciertos

patgenos. El amplio alcance y las posibilidades de la

ingeniera de Fc han sido revisados en detalle en otra parte.

3. Anticuerpos teraputicos para

enfermedades infecciosas

El uso de ThAb para enfermedades infecciosas puede

implicar la transferencia pasiva de anticuerpos para la

profilaxis pre/pos exposicin o para el tratamiento. El ThAb

puede derivarse de suero humano agrupado o anticuerpos

monoclonales recombinantes. En esta revisin, nos

centramos en el uso de anticuerpos monoclonales, pero

brevemente discutimos terapias sricas y preparaciones de

anticuerpos policlonales ya que se han utilizado para el

tratamiento de enfermedades infecciosas. Discutimos la

relevancia de las subclases de IgG en el contexto de las

enfermedades infecciosas y destacamos la adherencia actual

de ThAb monoclonal a los antgenos de organismos

infecciosos.

3. Anticuerpos teraputicos para enfermedades infecciosas

Preparaciones Thab policlonales usados comnmente

consisten en fracciones de inmunoglobulinas purificadas de

cientos a miles de donantes y se entregan por va

intravenosa (IGIV), intramuscular (IMIG) o subcutnea

(SCIG). Nos centramos en el uso de IgG agrupado para

condiciones infecciosas especficas, aunque tambin se ha

utilizado como una transfusin para pacientes con

enfermedades de inmunodeficiencia primaria o

enfermedades inflamatorias o autoinmunes. Las principales

enfermedades infecciosas que se utiliza IgG combinada son

el ttanos, la hepatitis A, la hepatitis B, el sarampin, la

rubola, la rabia, la varicela, el virus respiratorio sincitial y el

citomegalovirus. Productos especficos a la enfermedad a

veces se enriquecieron mediante la agregacin de

anticuerpos de individuos con ttulos altos a estos antgenos

de enfermedad.

La naturaleza policlonal de IgG combinada permite la

focalizacin de mltiples eptopos (determinante

antignico), lo que es ventajoso en el tratamiento de ciertas

enfermedades infecciosas. Sin embargo, esto crea desafos

con estandarizacin a travs de lotes, aumento de costos,

potencial de contaminacin y la falta de eficacia debido a la

dilucin de anticuerpos funcionales. Un enfoque alternativo

es usar anticuerpos monoclonales dirigidos a eptopos

relevantes y que estn diseados con los cimientos de

subclases, que median la respuesta efectora deseada. Los

anticuerpos monoclonales tienen la ventaja adicional de

estar estandarizados, pueden ser producidos en masa y

tienen un bajo riesgo de contaminacin. Los anticuerpos

monoclonales teraputicos pueden ser particularmente

tiles para aplicaciones tales como la fiebre del dengue, en

los que actualmente no hay medicamentos o vacunas

antivirales autorizadas o licenciadas, y el tratamiento es

principalmente de apoyo. Los anticuerpos monoclonales

seran favorables, ya que podran ser seleccionados para

dirigir la neutralizacin de eptopos comunes en los cuatro

serotipos del virus del dengue. Mas an, la preocupacin por

el aumento de la patognesis impulsado por la mejora

dependiente de anticuerpos (mediado por las interacciones

Fc:FcR) podran ser superados por los anticuerpos

monoclonales con cimientos de IgG4 o mutaciones para

eliminar la unin a FcRs.

3.2 Relevancia de las subclases de IgG en enfermedades

infecciosas

Las interacciones diferenciales de las cuatro subclases de IgG

con diversas molculas efectoras inmunes sugiere roles

especficos para cada subclase durante una infeccin

natural. Esto es reflejado en las caractersticas de perfiles de

subclases observados en individuos despus de la exposicin

a agentes infecciosos. En este contexto, las respuestas de las

subclases pueden diferir de acuerdo con el patgeno, el

antgeno, o incluso el eptopo (discutido en la Seccin 4.1).

La importancia de las subclases de IgG en las enfermedades

infecciosas es apoyada tambin por el estudio en individuos

con ciertas deficiencias en estas subclases de IgG. Las

deficiencias selectivas en subclases estn entre las cuatro

deficiencias inmunitarias ms comunes en pediatra. Los

sndromes ms comunes observados clnicamente han sido

aquellos en las que la deficiencia de IgG2 se asocia con un

mayor riesgo de infecciones, causadas por bacterias

encapsuladas; y la deficiencia de IgG3 se asocia con

infecciones respiratorias recurrentes. Sin embargo, estos

estudios describen la asociacin y no necesariamente

causalidad, y pueden ser confundidos con ciertas

deficiencias de subclases de IgG que se producen en

combinacin con otras inmunodeficiencias. En

consecuencia, las respuestas de las subclases de IgG pueden

afectar la inmunidad a patgenos y esto debe ser

investigado ms a fondo para avanzar en el desarrollo de

ThAb especialmente en enfermedades infecciosas.

3.3 ThAb monoclonal en las enfermedades infecciosas en

desarrollo

Actualmente, slo hay dos ThAb monoclonales autorizados

para su uso contra las enfermedades infecciosas, con

aproximadamente 36 etapas preclnicas y clnicas de

desarrollo. Estos ThAb tienen como objetivo

aproximadamente a 14 especies diferentes de virus y

bacterias, mientras solo 2 tienen como objetivo hongos y

ningno a organismos parasitarios. Los que estn en

desarrollo tienen como objetivo organismos similares a los

de los productos IgG humano agrupados existentes,

reflejando el paso de productos a base de sangre hacia

anticuerpos monoclonales recombinantes. Adems, las

combinaciones de anticuerpos monoclonales para el mismo

organismo estn siendo evaluados para aumentar su

eficacia y para prevenir el escape de organismos mutados

que pueden causar resistencia (Tabla S3). Curiosamente,

casi todos los ThAb en desarrollo se basan en el cimiento de

IgG1 humano con una la ausencia de la mayora de las otras

subclases de IgG (Tabla 1).

El uso de ThAb monoclonal se pueden aplicar a una amplia

gama de patgenos y marcos clnicos (Tabla 2). Esto incluye:

(1) la configuracin de un organismo especfico para tener

esporas, toxinas o biopeliculas como objetivo (ecosistema

microbiano);

Tabla 2 Situaciones en las que ThAb sera til contra enfermedades infecciosas.

Situacin Ejemplo

Organismo especifico Patognesis a travs de esporas Patognesis a travs de la toxina Formacin de biopelculas

Entorno clnico Ajustes nosocomiales / iatrognicas Resistencia a las drogas Epidemia / brotes pandmicos Bioterrorismo Enfermedades emergentes En nios pequeos En individuos inmunocomprometidos Las infecciones en los bebs prematuros Profilaxis en personas de alto riesgo Las infecciones en pacientes con trasplante En la transmisin maternoinfantil de un enfermedad Terapia adjunta para el tratamiento de enfermedad grave

La falta de otros tratamientos Vacunas / medicamento no est disponible Aumente la ventana teraputica de antibiticos Publique profilaxis de exposicin

(2) entornos clnicos en los que puede haber brotes

nosocomiales / iatrognicos, resistencia a los

medicamentos, brotes pandmicos, ataques bioterroristas,

enfermedades infecciosas emergentes, y uso en grupos de

alto riesgo o en enfermos graves; (3) cuando hay una falta

de opciones de tratamiento disponibles; y (4) como terapias

adjuntas que tienen funciones anti-inflamatorias o

inmunomoduladoras. (Esto podra incluir ThAb contra TNF y

otros mediadores inmunolgicos en humanos y no se analiza

en esta revisin). Algunas de estas aplicaciones se ilustran

mediante el uso autorizado de ThAb contra la toxina de B.

anthracis. La B. anthracis es una bacteria gram positiva,

forma esporas, productora de toxinas, que representa una

amenaza bioterrorista. Los ThAb contra la B. anthracis

podran ser particularmente tiles, porque un ThAb tiene

una vida media ms larga que los antibiticos y los

antibiticos slo se dirigen a las bacterias, mas no a la toxina,

y requieren un tratamiento de 60 das que plantea retos

importantes para su cumplimiento. Adems, la vacunacin

requiere dosis repetidas por aproximadamente 4 semanas

para inducir un anticuerpo eficaz.

Claramente, ThAb no tienen aplicacin para todas las

enfermedades infecciosas. En los casos donde hay un

beneficio teraputico potencial, las ventajas y desventajas

relativas de ThAb deben ser consideradas y sopesadas

contra opciones teraputicas alterativas (Tabla 3).En

muchos casos, los factores que son ms probables de limitar

Bacillus anthracis

Escherichia coli (toxina Shiga)

Pseudomonas aeruginosa

Clostridium difficile

Staphylococcus aureus (VRSA)

Virus del bola

Bacillus anthracis

Nipah o virus Hendra

Virus sincitial respiratorio

Retinitis por citomegalovirus en

Pacientes con VIH

Staphylococcus aureus

Virus de la gripe

Hepatitis C

Virus VIH

Plasmodium falciparum

Virus Marburg

Bacillus anthracis

virus de la rabia

Enterovirus

aplicaciones para las ThAb incluyen: (1) la caracterizacin

especfica de Ab monoclonal con respecto a objetivos de los

eptopos y las respuestas efectoras funcionales; (2) los

costos de desarrollo y produccin; (3) la necesidad de la

administracin parenteral; y (4) la capacidad de ofrecer un

nivel suficiente de ThAb de mxima efectividad. La seleccin

de las subclases de IgG en el desarrollo de ThAb es a menudo

infravalorado, pero puede tener implicaciones importantes

para asegurar que se obtengan respuestas funcionales, los

efectos adversos se minimicen, y la vida media del

anticuerpo se optimice.

4. Seleccin de subclases de IgG para las ThAb contra

enfermedades infecciosas.

4.1 Subclases y respuestas natural inmune

La exposicin a la mayora de los microorganismos conlleva

a la induccin de una respuesta por anticuerpos, muchas de

las cuales mediarn proteccin clnica, pero otras son no

funcionales y simplemente reflejan la exposicin. En ambos

casos, estas respuestas adquiridas naturalmente van a ser,

con frecuencia, altamente sesgadas con respecto al isotipo y

la subclase. Entender las caractersticas de esta respuesta

adquirida naturalmente es el primer paso en la seleccin de

la subclase apropiada para un efectivo ThAb. El sesgo en la

subclase IgG que ocurre para diferentes microorganismos ha

sido demostrado por la respuesta de la IgG a polisacridos

bacterianos, lo que indica una predominancia de IgG2, con

reducidas cantidades de IgG1 e IgG3 (Chudwin et al., 1987;

Islam et al., 1995). En contraste, la respuesta de anticuerpos

contra VIH, el virus del bola, Coxiella burnetii (fiebre Q) y

plasmodium falciparum (malaria), han demostrado contener

principalmente IgG1 e IgG3 (Camacho et al., 1995; Leroy et

al., 2001; Raux et al., 2000; Richards et al., 2010), mientas

que las respuestas a Schistosoma mansoni son

predominantemente de IgG4 (Boctor and Peter, 1990).

Adems, se ha observado diferencias en las respuestas de las

subclases segn la edad y el gnero (Perez-Perez et al., 2010;

Simon et al., 2013), que pueden diferir para diferentes

antgenos del mismo patgeno o diferente dominio del

mismo antgeno (Richards et al., 2010; Stanisic et al., 2009).

Este conocimiento de las respuestas de subclases adquiridas

naturalmente puede, entonces, ser utilizado en ensayos

funcionales para determinar su posible significancia en la

induccin de la inmunidad protectora.

Tabla 3

Ventajas y desventajas de desarrollar ThAb contra enfermedades infecciosasa

Ventajas Desventajas

Alta especificidad

No afecta la flora normal

Poca toxicidad

Funciones biolgicas dirigidas que pueden incluir neutralizacin, ADCC, ADCP o CDC

Variedades de isotipos y subclases opcionales para desarrollar ThAb con las funciones deseadas

Acta sinrgicamente con antimicrobianos

Provisin rpida de inmunidad pasiva comparada con los largos periodos requeridos para las respuestas inducidas por vacunas

Conjugar toxinas o molculas teraputicas con ThAb para dirigir estas respuestas de manera ms precisa

Requiere conocimiento detallado de la patognesis de los microorganismos, eptopos protectores y respuesta inmune efectiva

Puede no reconocer mutantes virales de escapeb u organismos con antgenos polifrmicos.

Costo de produccin, almacenamiento y despacho; adems del riesgo de contaminacin.

Requiere administracin sistemtica (parenteral, subcutnea, IV o intramuscular)

Requerimiento para administrar cantidades teraputicas de ThAb

El ThAb debe ser administrado tempranamente durante la infeccin para una mxima eficacia.

ADCC: citotoxina celular dependiente de anticuerpos; ADCP: fagocitosis celular dependiente de anticuerpos; CDC: citotoxicidad dependiente de complemento

. a Tabla resumida usando lecturas de Casadevall et al. (2004).

. b Los combinados con diferentes monoclonales pueden compensar esto.

4.2. Valoracin funcional de las subclases aisladas de la

respuesta inmune natural:

Discriminar entre anticuerpos que reflejan exposicin y

aquellos que median la proteccin funcional puede ser

desafiante, pero el uso de ensayos funcionales patgeno-

especficos in vitro puede ser informativo. Muchos campos

que estudian microorganismos dependen solo de un puado

de ensayos funcionales aceptados. (por ejemplo, ensayo de

neutralizacin para influenza o ensayo de inhibicin de

crecimiento para malaria), y se necesitan ms ensayos

funcionales para usar en valoraciones sistemticas de las

funciones de los anticuerpos. Estos ensayos sern luego

comparados con los resultados clnicos para determinar si

las respuestas medidas mediaron proteccin in vivo. Los

ensayos funcionales bien validados pueden ser usados

posteriormente para valorar la significancia de la subclase

IgG al purificar los anticuerpos especficos de esa subclase.

Por ejemplo, en un estudio reciente se compar una

subclase purificada de anticuerpos en un ensayo de

neutralizacin del virus del Herpes Simplex, y se determin

que IgG3 e IgG4 tienen la mayor capacidad de neutralizar el

virus incluso cuando no fueron la subclase predominante

(Mathiesen et al., 1988). Estudios similares para el VIH

purificaron IgG1 e IgG3 y compararon la habilidad de los

anticuerpos para neutralizar el virus aislados de muestras

individuales o en conjunto con mltiples individuos

(Cavacini et al., 2003; Scharf et al., 2001). Curiosamente,

IgG3 demostr ser ms efectivo que IgG1 en la

neutralizacin del VIH-1 cuando se usaron muestras

conjugadas, pero esto no se evidenci en muestras

individuales, indicando que la especificidad del eptopo

tambin juega un papel importante en la neutralizacin. Un

estudio adicional sobre las respuestas contra el enterovirus

71 humano us fracciones especficas de subclases

purificadas de IgG a partir de inmunoglobulinas agrupadas y

encontr que las fracciones de IgG1 e IgG2 son ms efectivas

en la neutralizacin, y que IgG3 conllevaba a una infeccin

aumentada (Cao et al., 2013). Estos estudios resaltaron el

valor potencial de la purificacin de subclases especficas del

suero de individuos infectados naturalmente y el estudio de

estos anticuerpos en ensayos funcionales para entender mejor

su contribucin a la proteccin clnica o a la patogenia de la

enfermedad. Estudios como estos tambin necesitan ser

complementados con experimentos en donde variantes en el

cambio de subclases son generadas y valoradas en ensayos

funcionales.

4.3 Variantes en el cambio de subclases:

Las variantes en el cambio de subclases usan los mismos

dominios variables, pero son expresadas en los cimientos de

cadenas pesadas de las diferentes subclases. Entonces, las

variantes en el cambio de subclases son anticuerpos

monoclonales que se unen al mismo epitopo, permitiendo la

contribucin de las diferentes subclases evaluadas en ensayos

funcionales patgeno- especficos in vitro y, en modelos in

vivo, para determinar las diferencias en su funcin efectora.

Las variantes en el cambio de subclases han sido evaluadas

usando tanto subclases humanas como murinae para: (1) virus

incluyendo VIH (Cavacini et al., 1995; Kunert et al., 2000;

Liu et al., 2003; Miranda et al., 2007), virus de la fiebre

amarilla (Schlesinger and Chapman, 1995; Schlesinger et al.,

1993), virus del Nilo Occidental (Mehlhop et al., 2007), y

virus de Varicela Zoster (Lloyd-Evans and Gilmour, 2000);

(2) bacterias incluyendo Staphylococcus aureus (Brown et

al., 2009; Kelly-Quintos et al., 2006; Varshney et al., 2014),

Streptococcus de grupo A(Cooper et al., 1991, 1993), B.

anthracis (Abboud et al., 2010; Hovenden et al., 2013),

Pseudomonas aeruginosa (Pollack et al., 1995; Schreiber et

al., 1993), y Escherichia coli (Akiyoshi et al., 2010; Oishi et

al., 1992; Pelkonen and Pluschke, 1989); (3) hongos

incluyendo Cryptococcus neoformans (Sanford et al., 1990;

Yuan et al., 1995); y (4) parsitos como P. falciparum

(Lazarou et al., 2009). Estos estudios de variantes en el

cambio de subclases han utilizado anticuerpos humanos, de

ratones y ratas; un resumen de las variantes en el cambio de

subclases humanas se muestra en la tabla 4. En ciertas

instancias, estos estudios han indicado claras diferencias

entre subclases en la mediacin de la neutralizacin del VIH

(Cavacini et al., 1995; Miranda et al., 2007), fagocitosis por

opsonizacin de S. Aureus (Kelly-Quintos et al., 2006), y en

estudios funcionales con P. aeruginosa (Eichler et al., 1989;

Schreiber et al., 1993), E. coli (Oishi et al., 1992), virus de la

fiebre amarilla (Schlesinger et al., 1993), virus de varicela

zoster (Lloyd-Evans and Gilmour, 2000) y Cryptococcus

(Yuan et al., 1995, 1998). En otras, el cambio de subclases no

demostr tener mayor efecto en el resultado de los estudios

funcionales (Bachmann et al., 1997; Brown et al., 2009;

Cavacini et al., 1995; Kelly-Quintos et al., 2006; Kunert et

al., 2000; Liu et al., 2003; Sanford et al., 1990). Esto sugiere

que la subclase de ThAb no es siempre crucial y que otros

factores, como los niveles de anticuerpos, tambin pueden ser

importantes. (Bachmann et al., 1997). Un inconveniente en la

valoracin de las variantes en el cambio de subclases es que

las subclases de ratones y otros animales no son equivalentes

directos de las humanos debido a la diversificacin de IgG en

subclases despus de la especiacin (Butler, 2006). Por lo

tanto, las diferencias observadas en las funciones de las

subclases especificas obtenidas de modelos animales no

pueden ser inferidas directamente en humanos (Mestas and

Hughes, 2004. Por ejemplo, la IgG de murinae es una

respuesta prominente para muchos patgenos, y la mayora

de anticuerpos monoclonales murinos son IgG1, pero el IgG1

murino no se involucra con FcyRs activantes o el

complemento en ratones. Sin embargo, interacciones y

mecanismos efectores determinados para las subclases de

IgG humanos y sus sistemas efectores (FcyRs, FcRn y C1q

humanos) son relevantes en el desarrollo de ThAb para

tratar enfermedades infecciosas

4.3.1 El uso de modelos murinos para guiar el desarrollo de

anticuerpos teraputicos

A pesar de la dificultad de transferir los descubrimientos de

estudios de variantes de cambio de subclase murinos a

humanos, tales estudios pueden ser tiles en el desarrollo

de ThAb al incrementar el conocimiento de los mecanismos

protectores del sistema inmune y por su aplicacin en

modelos animales in vivo. Ejemplos incluyen estudios

murinos que han indicado que ThAb debe incluir una funcin

FcyR para efectivamente inducir la neutralizacin de la

toxina del anthrax y que inducir fagocitosis opsonica es ms

importante que la actividad mediada por el complemento

para protegerse contra C. neoformans.

4.3.2. Funciones especficas de subclases varan de acuerdo

a las caractersticas del eptopo

Identificar eptopo objetivos que median la inmunidad

funcional es claramente un componente clave en el

desarrollo de una ThAb. De forma interesante, el impacto de

subclases de anticuerpos en tales eptopos funcionales

puede variar dramticamente entre eptopos, incluso dentro

de los mismos organismos. Por ejemplo, los anticuerpos

monoclonales IgG3 humanos que tienen por objetivo gp120

han mostrado tener una habilidad neutralizadora mayor

para VIH que sus contrapartes en IgG1, pero tales diferencias

de subclase no fueron encontradas en anticuerpos

monoclonales contra gp41. La relacin entre el objetivo

especfico de un eptopo y la subclase de anticuerpos

tambin depende probablemente en la densidad de los

eptopos y la flexibilidad de diferentes subclases de

anticuerpos para interactuar con dichos eptopos. Por

ejemplo, estudios usando variantes de cambio de subclase

contra P. aeruginosa y el grupo A streptococcus sugiere que

la densidad antignica influencia fuertemente la habilidad

de algunas subclases de anticuerpos para unirse

efectivamente, por tanto resaltando la importancia de

investigar respuestas de subclases usando ensayos que

reflejen la conformacin nativa antignica y su densidad.

Existe tambin evidencia que el efecto funcional de

diferentes subclases puede variar de acuerdo a la cepa del

organismo, indicando que es importante tambin investigar

una variedad de cepas cuando se desarrolle ThAb.

4.3.3. Evaluando las respuestas de subclases usando ensayos

funcionales in vitro

Como fue mencionado anteriormente, existe necesidad para

un grupo mayor de ensayos funcionales que pueda evaluar

sistemticamente el rol de subclases de IgG para muchas

enfermedades infecciosas. El uso de tales evaluaciones

funcionales necesitar ser combinado con la validacin de

estas evaluacin como indicadores de una proteccin in vivo

real. Estudios en respuestas de subclases murinas contra C.

neoformans han demostrado fuertes discrepancias entre

ensayos funcionales in vitro y modelos in vivo. Caudn

Oposible, ensayos funcionales deben reflejar el mecanismo

probable de la actividad mediada por anticuerpos in vivo.

Por ejemplo, la proteccin in vivo contra la E. coli es asociada

con la limpieza mediada por el complemento; por tanto

ThAb debera ser evaluada usando ensayos funcionales que

reflejen este mecanismo. Sin embargo, P. aeruginosa es

capaz de resistir la lisis mediada por el complemento, y por

tanto, un ensayo del complemento no predecira

adecuadamente la proteccin in vivo. Ensayos funcionales

bien-validados pueden tambin ser usados para determinar

si diferentes subclases de IgG tienen el potencial de interferir

con accin de otras subclases de IgG, por ejemplo,

bloqueando anticuerpos. De forma similar, los ensayos

funcionales pueden ser usados para evaluar la habilidad de

algunos anticuerpos de tener efectos dainos al aumentar la

infeccin, como es observado en el virus del dengue, el virus

del oeste del Nilo, VIH, y hongos incluyendo Candida albicans

y C. neoformans.

Tabla 4: Ejemplos de estudios usando variantes de cambio de subclases humanas de IgG

5. Conclusiones

Existen ms de 40 ThAb con licencia pero solo dos que

tienen como objetivos patgenos asociados con

enfermedades infecciosas. Casi todos los ThAb licenciados,

as como aquellos en desarrollo clnico, tienen dominio Fc

IgG1 humano. La diversidad de respuestas de subclase

contra infecciones naturales y la estructura nica y

funcional de las 4 subclases de IgG disminuye la

importancia de considerar las propiedades de subclases

cuando se desarrolla y se prueba ThAb, especialmente

contra enfermedades infecciosas. A pesar de que existen

aproximadamente 36 nuevos ThAb contra enfermedades

infecciosas en desarrollo preclnico, la investigacin en este

campo ha sido lenta comparada con el desarrollo en cncer

y autoinmunidad. Existe una multitud de conformaciones

potenciales para la aplicacin de ThAb contra

enfermedades infecciosas y los pros y cons deberan ser

cuidadosamente evaluados para cada conformacin

teraputica. Conocimiento de los perfiles de cada subclase

contra los patgenos y antgenos de inters sera

beneficioso. Esta evaluacin debera incluir el estudio de las

respuestas de anticuerpos naturalmente adquiridas,

anticuerpos derivados del suero, y variantes de cambio de

subclase en estudios in vitro funcionales relevantes y

estudios in vivo donde sea apropiado. Tales estudios han

indicado que las subclases de IgG individuales pueden tener

efectos funcionales diferentes contra diferentes patgenos,

con ninguna subclase siendo singularmente importanteal

mediar proteccin contra enfermedades. Ms an, la

naturaleza del eptopo especfico es extremadamente

importante para respuestas efectivas y funcionales, y la

densidad del eptopo o cepa patgena usada en el ensayo

puede afectar profundamente los resultados. Por ende es

ms importante examinar un rango de estos factores.

Finalmente, el conocimiento obtenido en los estudios de

cambio de subclase, combinado con un entendimiento

molecular de las propiedades de las subclases de IgG

permitir la preparacin y desarrollo de ThAb

monoclonales altamente efectivos especficos para

patgenos.