Monoclonal antibodies: a major class of therapeutic drugs in gastrointestinal diseases

ARTICLE

hpg.2012.0691

Auteur(s) : Thierry Lecomte^1,2,3 thierry.lecomte@med.univ-tours.fr, Audrey Payancé^2,3, Alexandre Aubourg³, Hervé Watier^1,2,4, Gilles Paintaud^1,2,5

¹ Université François-Rabelais de Tours

² CNRS, UMR 7292 (GICC)

³ Service d’hépatogastroentérologie et de cancérologie digestive, CHRU de Tours, Hôpital Trousseau, 37044 Tours Cedex 9

⁴ CHRU de Tours, Hôpital Bretonneau, laboratoire d’immunologie, 37044 Tours Cedex 9

⁵ CHRU de Tours, Hôpital Bretonneau, laboratoire de pharmaco-toxicologie, 37044 Tours Cedex 9

Tirés à part : T. Lecomte

Les anticorps monoclonaux (Acm) sont des macromolécules complexes, créées et produites grâce à des procédés de biotechnologie complexes auxquels sont associés des manipulations génétiques d’organismes vivants [1, 2]. Ils se différencient ainsi des médicaments « classiques » qui sont de petites molécules synthétisées chimiquement ou obtenues par extraction le plus souvent d’espèces végétales. Les Acm recombinants, utilisés en thérapeutique depuis plus d’une dizaine années, ont révolutionné la prise en charge de nombreuses pathologies digestives telles que les maladies inflammatoires chroniques de l’intestin (MICI) et le cancer colorectal [3-8]. L’utilisation thérapeutique de cette nouvelle classe médicamenteuse correspondant à des immunoglobulines s’appuie sur le concept de l’immunothérapie passive [9]. Les caractéristiques pharmacologiques de ces biomédicaments (mécanismes d’actions, propriétés pharmacocinétiques) sont similaires à celles des immunoglobulines endogènes [3, 10]. Le répertoire des Acm thérapeutiques est par nature infini, d’où une infinité de cibles thérapeutiques potentielles, dont la seule limite est qu’elles soient présentes dans les milieux extracellulaires ou à la surface des cellules. C’est ainsi que plus de 200 Acm sont actuellement en phase d’essais cliniques, et que plusieurs centaines d’autres sont dans les pipelines des firmes pharmaceutiques [11, 12]. À ce jour, une dizaine d’Acm thérapeutiques ont une autorisation de mise sur le marché (AMM) en pathologie digestive (tableau 1). Les règles qui déterminent les différents suffixes de la dénomination commune des Acm sont exposées dans le tableau 2.

Tableau 1 Anticorps thérapeutiques actuellement sur le marché et indiqués en pathologie digestive.

Abréviations : LMNH : lymphome malin non hodgkinien ; CCRM : cancer colorectal métastatique : MC : maladie de Crohn ; RCH : rectocolique hémorragique.

Tableau 2 Dénomination des anticorps.

Structures et fonctions des anticorps thérapeutiques

Les succès de cette nouvelle classe thérapeutique sont liés aux caractéristiques structurales et fonctionnelles des anticorps [3, 13]. Les anticorps ont en effet une forte affinité et une très grande spécificité pour leur antigène. Leurs mécanismes d’action sont divers : antagoniste/agoniste, induction d’apoptose, internalisation/dégradation de l’antigène ou encore fonctions effectrices cytotoxiques. Tous les Acm thérapeutiques actuellement sur le marché sont des immunoglobulines de classe IgG et la plupart appartiennent à la sous-classe des IgG1 (l’isotype de la chaîne lourde étant γ1). Les IgG sont des glycoprotéines hétérodimériques d’environ 150 kDa constituées de 2 chaînes lourdes et de deux chaînes légères. Les chaînes sont reliées entre elles par des ponts disulfures. Les chaînes légères sont constituées d’un domaine variable (VL) et d’un domaine constant (CL) et les chaînes lourdes d’un domaine variable (VH), de trois domaines constants (CH 1, 2 et 3) et d’une région charnière (H) située entre les domaines CH1 et CH2. Une immunoglobuline est constituée de deux entités structurales et fonctionnelles : une région Fab (portion se liant à l’antigène) qui contient les domaines variables (VH et VL) des chaînes lourdes (H) et légères (L), et la région Fc (fragment cristallisable) (figure 1). Ces deux parties de l’immunoglobuline sont reliées entre elles par une région flexible dite « charnière » qui permet des torsions facilitant la fixation de l’anticorps à l’antigène cible localisé dans différents plans de l’espace.

La plupart des anticorps monoclonaux thérapeutiques sont des immunoglobulines d’isotype IgG1 avec les mêmes fonctionnalités que les IgG1 endogènes

La partie de l’anticorps qui interagit avec l’épitope de l’antigène cible est appelée paratope [14]. Il est localisé sur les domaines variables VH et VL. Au sein de ces domaines, six régions dites hypervariables et appelées CDR constituent la zone de contact avec l’épitope et confèrent la spécificité de liaison entre l’anticorps et son antigène cible. Le site de liaison entre l’anticorps et l’antigène implique entre 6 et 20 acides aminées et cette liaison spécifique est non covalente et réversible. Les IgG sont bivalentes car elles possèdent deux bras Fab capables de se lier chacun avec l’épitope d’un antigène. Les anticorps sont capables de se lier à une grande variété de substances antigéniques (sucres, lipides, protéines, produits chimiques…) mais un bras Fab donné ne reconnaîtra qu’un seul épitope, même si ce dernier peut être partagé par plusieurs antigènes. Il s’agit alors d’une réaction croisée d’un anticorps avec un autre antigène.

Les IgG sont bifonctionnelles car en plus des liaisons possibles des portions Fab avec les antigènes, la région Fc a la capacité de se lier à des récepteurs pour la portion des IgG (FcγR) ou au complément ainsi qu’au récepteur FcRn (neonatal Fc receptor) (figure 2) [15-17]. La région Fc de l’anticorps contrôle ainsi deux fonctions effectrices. Il s’agit de l’activation de la voie classique du complément et l’engagement des récepteurs FcγR pour la région Fc des immunoglobulines exprimés par des cellules de l’immunité telles que les macrophages et les lymphocytes NK. Cette région Fc joue également un rôle important dans le métabolisme des immunoglobulines car elle a la capacité de se fixer au récepteur FcRn qui intervient dans le recyclage des immunoglobulines leur conférant ainsi une demi-vie longue [10, 17]. À titre d’exemple, la demi-vie des immunoglobulines endogènes de type IgG1 est d’environ 20 jours. L’élimination des IgG résulte principalement d’un catabolisme intracellulaire, notamment endothélial, faisant intervenir les enzymes lysosomiales. Comme la plupart des protéines circulantes, l’internalisation intracellulaire des IgG fait intervenir des mécanismes de pinocytose ou d’endocytose. La capture des IgG par le FcRn exprimé à la surface des cellules et dans le compartiment vésiculaire intracellulaire permet d’extraire les IgG du catabolisme endothélial et de les restituer intégralement dans la circulation. L’albumine bénéficie également de cette voie de recyclage. Ce mécanisme de recyclage est énergiquement plus économique pour l’organisme que la synthèse de novo de ces molécules. La transcytose des IgG d’un pôle à l’autre des épithéliums, des endothéliums et de la barrière fœto-placentaire fait également intervenir le FcRn qui possède donc un rôle clef dans la biodistribution des IgG dans l’organisme. Par conséquent, le FcRn est étroitement associé à la pharmacocinétique des anticorps thérapeutiques. Le catabolisme intracellulaire d’une IgG fixée par ses domaines Fab sur son antigène cible à la surface d’une cellule fait également intervenir un mécanisme d’endocytose. Quand cette voie d’élimination est prépondérante on parle d’élimination dépendante de la cible, par définition saturable.

Les effets pharmacodynamiques des anticorps monoclonaux sont liés au caractère bifonctionnel des IgG

Les antigènes cibles des anticorps monoclonaux thérapeutiques recombinants

Parmi les paramètres qui interviennent dans le développement d’un Acm recombinant thérapeutique, le choix de l’antigène cible est l’élément primordial [15]. Il est guidé principalement par l’importance de la molécule cible endogène dans la physiopathologie de la maladie à traiter ainsi que d’un compromis entre son efficacité clinique et ses éventuels effets secondaires. Les cibles des Acm thérapeutiques sont de deux types : des molécules solubles (cytokines, complément, facteurs de croissance) et des protéines membranaires (tableau 1).

La première cytokine pour laquelle un Acm thérapeutique, l’infliximab, a été développé est le tumor necrosis factor α (TNF-α) qui a un rôle central dans la physiopathologie des MICI [4]. Le TNF-α est présent à l’état soluble mais également membranaire à la surface de certaines cellules telles que des lymphocytes T et des macrophages, impliquées dans les mécanismes de défenses anti-tuberculeux favorisant ainsi la réactivation d’une infection latente, comme cela a été bien documenté chez les patients traités par infliximab [18]. En raison de l’importance de la voie du vascular endothelial growth factor (VEGF) dans la néoangiogenèse tumorale, le ciblage du VEGF a abouti à la mise au point du bévacizumab, un Acm anti-VEGF, qui est devenu un traitement standard du cancer colorectal métastatique.

L’effet des Acm thérapeutiques qui ciblent des antigènes membranaires induit le plus souvent des mécanismes moléculaires intracellulaires tels que des effets antagonistes sur des voies de signalisation. Dans le cas des Acm qui ciblent une protéine transmembranaire, la portion Fc de l’Acm de type IgG1 a la capacité de recruter des cellules effectrices telles que des cellules NK et, par conséquent, d’induire une cytotoxicité dépendante des anticorps (ADCC) comme cela a été démontré par exemple avec le rituximab dans le traitement des lymphomes non-hodgkiniens [16]. Les facteurs qui déterminent l’activité d’un Acm thérapeutique ciblant un antigène membranaire sont l’affinité de l’anticorps pour son antigène et des mécanismes de modulation antigénique tels que l’internalisation des protéines cibles ou des phénomènes de protéolyse impliqués dans le clivage des protéines membranaires. Les principales cibles membranaires pour lesquelles des Acm ont une AMM en pathologie digestive sont des récepteurs de facteurs de croissance tels que l’epidermal growth factor receptor (EGFR) (cetuximab, panitumumab) et l’human epidermal growth factor receptor-2/neu (HER2) (trastuzumab), des molécules d’adhérence impliquées dans les interactions intercellulaires telles que l’epithelial cell adhesion molecule (EpCAM) (catumaxomab), des récepteurs de cytokine tels que le CD25, la chaîne α du récepteur de l’interleukine 2 (basiliximab, daclizumab) ou des protéines transmembranaires dont la fonction n’est pas complètement élucidée telles que le CD20 (rituximab). De nombreux Acm thérapeutiques actuellement en développement ciblent d’autres récepteurs membranaires tels que le récepteur de l’insulin growth factor 1 (IGF-1R), le récepteur de l’hepatocyte growth factor (HGFR ou c-MET) ou les récepteurs du VEGF. Certains Acm thérapeutiques ont un effet agoniste, c’est-à-dire que leur mode d’action thérapeutique résulte de leur capacité à mimer l’action du ligand naturel d’un récepteur. C’est le cas des Acm thérapeutiques qui ciblent les récepteurs TRAIL (TNF-related apoptosis-inducing ligand) des cellules tumorales dans le but d’induire un signal de mort cellulaire par apoptose.

Les antigènes cibles des anticorps monoclonaux sont des cytokines circulantes ou des domaines extramembranaires de protéines membranaires

Développement des anticorps monoclonaux

Les avancées considérables réalisées ces dernières années dans le domaine des biotechnologies sont à l’origine du développement et des succès de cette nouvelle classe médicamenteuse. L’élément princeps de cette avancée trouve sa source dans les progrès biotechnologiques qui ont permis de produire des Acm sous forme recombinante dans des cellules de mammifères [2]. La production et l’optimisation des anticorps monoclonaux nécessitent une bio-ingénierie capable de manipuler les régions Fab et Fc des immunoglobulines. Cela est également le cas pour les procédés de production à une échelle industrielle de même que pour la maîtrise de la stabilité, de l’immunogénicité et de la biodisponibilité des Acm thérapeutiques.

Bio-ingénierie des régions Fc et Fab

La plupart des Acm actuellement sur le marché en pathologie digestive sont des IgG1 qui est la principale sous-classe capable, avec sa portion Fc, d’activer la voie classique du complément et d’induire une ADCC avec les récepteurs Fcγ présents à la surface de cellules immunitaires effectrices. Si cette fonction effectrice liée à la portion Fc de l’anticorps n’est pas souhaitée, le choix se porte alors vers une IgG de la sous-classe 4 ou 2. Afin d’optimiser cette fonction effectrice des IgG1, des techniques de bio-ingénierie ont été développées pour modifier leur portion Fc [3, 19]. Il s’agit par exemple de modifications de la glycosylation permettant la production de glycoformes non fucosylées avec une activité ADCC plus forte. En effet, les anticorps sont en partie constitués de glycannes qui représentent 2 à 3 % de la masse de l’immunoglobuline. La glycosylation des anticorps joue un rôle, non seulement dans les fonctions effectrices liées à la portion Fc, mais également dans l’antigénicité et l’immunogénicité des anticorps. En fonction du système de production d’un anticorps (cellules de mammifères, cellules végétales ou levures), différentes glycoformes d’un même anticorps sont possibles dont certaines peuvent être reconnues par le système immunitaire. C’est le cas, par exemple, d’un oligoside (le galactose(Gal)-α-1,3-Gal) présent sur la chaîne lourde de la portion Fab du cetuximab, lié au fait que cet anticorps soit produit dans des cellules murines. Cet oligoside est responsable des réactions anaphylactiques lors des premières perfusions de cetuximab, chez des patients possédant des anticorps de type IgE anti-galactose(Gal)-α-1,3-Gal préexistants [20]. À noter qu’il est possible de détecter les anticorps IgE anti-Gal-α-1,3-Gal au moyen de tests immunologiques simples, mais ce type de test n’est malheureusement pas encore disponible en routine. Pour remédier à ce type de problème, les systèmes de production peuvent être modifiés afin d’empêcher la formation de glycoformes potentiellement immunogéniques.

Les modifications des domaines variables des anticorps au moyen de mutations aléatoires ou dirigées permettent de moduler l’interaction antigène-anticorps dans le but, par exemple, de modifier l’affinité de l’anticorps pour l’antigène ou pour augmenter la spécificité de cette interaction.

La glycosylation des anticorps monoclonaux joue un rôle dans leur immunogénicité mais également dans l’activité des fonctions effectrices liées à leur portion Fc

Les anticorps monoclonaux murins

L’histoire des Acm débute en 1975, avec la mise au point de la technique des hybridomes par Köhler et Milstein [1]. La fusion d’un lymphocyte B murin normal, produisant un seul anticorps, et d’une cellule myélomateuse murine immortelle, non sécrétrice d’anticorps, produit un hybridome immortel producteur d’un Acm murin [2, 13]. Cet hybridome produit une IgG unique dirigée contre un épitope unique. Ces Acm murins ont plusieurs inconvénients qui ont limité leur utilisation en thérapeutique. D’une part, une demi-vie d’élimination très courte avec pour corollaire une biodisponibilité et une durée d’action qui sont très limitées. D’autre part, une mise en jeu des fonctions effectrices humaines liées aux récepteurs Fcγ et au complément qui est très faible avec les IgG murines. De plus, ils induisent une réponse immunitaire chez les patients traités, conduisant à la formation d’anticorps humains anti-souris ou HAMA (human anti-mouse antibody) qui a pour conséquences un raccourcissement encore plus important de la demi-vie de l’anticorps et une neutralisation de sa capacité à fixer l’antigène, voire le déclenchement de signes cliniques liés à la formation de complexes immuns, pouvant aller jusqu’à une maladie sérique. Ces inconvénients ont ainsi limité l’utilisation thérapeutique des anticorps murins. Néanmoins, deux Acm murins ont été mis sur le marché : le muromonab, un anticorps anti-CD3 indiqué dans le traitement des rejets de greffe, et le catumaxomab, un anticorps bispécifique anti-EpCAM et anti-CD3, indiqué dans le traitement de l’ascite néoplasique. Les progrès réalisés dans le domaine des biotechnologies ont permis l’humanisation progressive des Acm murins afin de pallier la majorité de leurs inconvénients (figure 3).

L’humanisation des anticorps monoclonaux murins au moyen des progrès réalisés dans le domaine des biotechnologies a permis un développement important de cette classe médicamenteuse

Les anticorps monoclonaux recombinants chimériques

Le développement d’Acm chimériques caractérisés dans la nomenclature par le suffixe «-ximab » a été la première étape vers un développement plus large en clinique de cette classe thérapeutique [2, 13]. Les Acm chimériques sont constitués de régions variables murines fusionnées à des régions constantes humaines. La formation de ces Acm dits recombinants s’opère au moyen de l’expression par des cellules de mammifères transfectées par des plasmides codant les chaînes lourdes et légères qui sont fusionnées. Un des premiers Acm de ce type, mis sur le marché en 1998, est le rituximab qui a profondément modifié la prise en charge thérapeutique des lymphomes malins non-hodgkiniens. Les fragments Fab de cet anticorps de type IgG1 ciblent le CD20 situé à la surface des lymphocytes B permettant leur lyse. Il a été montré que la lyse des lymphocytes B par le rituximab dépend en partie d’une ADCC qui résulte d’interactions entre la portion Fc du rituximab et les récepteurs FcγR présents à la surface des cellules effectrices immunitaires effectrices [15].

Le basiliximab, qui est indiqué dans la prévention du rejet aigu du greffon en transplantation, cible la chaîne α du récepteur de l’interleukine-2 (CD25) dont il est un antagoniste compétitif empêchant ainsi la liaison de l’interleukine-2 à ce récepteur et ainsi la prolifération des lymphocytes T. L’infliximab, mis sur le marché en 1998, est également un Acm chimérique qui a largement démontré son efficacité dans la maladie de Crohn et la rectocolite hémorragique [4, 5]. Le cétuximab mis sur le marché en 2004, est un antagoniste du récepteur de l’EGF, occultant partiellement la région où se fixe le ligand et empêchant la dimérisation de l’EGFR nécessaire à la transduction du signal [6, 8]. Le cétuximab est indiqué dans le traitement du cancer colorectal métastatique et il induit parfois des réactions d’hypersensibilité médiées par des IgE anti-Gal-α-1,3-Gal [20].

Les anticorps monoclonaux recombinants humanisés

Comme cela a clairement été montré avec l’infliximab, certains patients traités par Acm chimériques développent des anticorps dirigés contre la partie murine des Acm administrés, porteuse de l’idiotype de l’anticorps [21]. L’idiotype d’un anticorps correspond à un épitope propre à l’anticorps situé à proximité ou sur le site de liaison de l’anticorps à l’antigène. Ceci a deux conséquences néfastes : une diminution importante des concentrations sériques et de l’efficacité clinique de l’infliximab en raison de la formation de complexes infliximab-anticorps induits et la survenue de réactions d’intolérance lors des injections d’infliximab. Dans l’espoir de réduire cette immunogénicité, des Acm présentant un plus grand degré d’humanisation des régions variables ont été développés : ce sont les anticorps dits « humanisés » et caractérisés par le suffixe « -zumab » [22]. L’obtention de ces Acm de 2^e génération est complexe car les séquences codant les régions murines déterminant la complémentarité avec l’antigène doivent être greffées sur des séquences codant des régions charpentes des domaines variables humains, tout en préservant leur structure et donc les propriétés de liaison à l’antigène (affinité et spécificité). Les Acm humanisés actuellement prescrits en pathologie digestive sont le traztuzumab et le bévacizumab. Le trastuzumab, qui cible le domaine extracellulaire du récepteur HER2, est indiqué dans le cancer gastrique avancé sur-exprimant ce récepteur. Enfin, l’éculizumab, qui cible la fraction C5 du complément, est indiqué dans le traitement de l’hémoglobinurie nocturne paroxystique et vient d’être utilisé avec succès dans les épidémies de syndrome hémolytique et urémique provoquées par des E. coli entéro-hémorragiques.

Les anticorps monoclonaux recombinants intégralement humains

Une 3^e génération d’Acm recombinants intégralement humains (« fully human » ; caractérisés dans la nomenclature par le suffixe «-mumab ») a été développée par les firmes pharmaceutiques dans la perspective de réduire encore l’immunogénicité des anticorps. Cette nouvelle génération est le fruit de développements technologiques très complexes qui ont permis, par exemple, la création de souris dont les gènes d’immunoglobulines ont été remplacés par des gènes d’immunoglobulines humains. Les deux Acm intégralement humains actuellement prescrits sont l’adalimumab (un anti-TNF-α) indiqué dans la maladie de Crohn et le panitumumab (un anti-EGFR) indiqué dans le traitement du cancer colorectal avancé. Le caractère complètement humanisé d’un Acm thérapeutique n’est pas synonyme d’absence d’immunogénicité car il persiste toujours l’idiotype de l’anticorps. Par exemple, il a été rapporté, chez les patients traités par adalimumab, l’apparition d’anticorps anti-adalimumab qui semble associée à une diminution des concentrations sériques et à la perte d’efficacité de l’adalimumab [23].

L’humanisation des anticorps monoclonaux réduit leur immunogénicité mais n’exclut pas l’induction d’anticorps dirigés contre eux

Conclusion

Les Acm thérapeutiques qu’ils soient, murins, chimériques, humanisés ou totalement humains sont actuellement une classe incontournable de biomédicaments en pathologie digestive. Ils ont permis des avancés thérapeutiques majeures ces dix dernières années, principalement en cancérologie digestive et dans les MICI. C’est le cas par exemple des Acm anti-TNFα dont les bénéfices dans la prise en charge des patients atteints de MICI s’apparentent aux succès obtenus avec les inhibiteurs de la pompe à proton dans le traitement de l’ulcère gastroduodénal durant les années quatre-vingt-dix. Comme le nombre d’antigènes pouvant être ciblés par les anticorps est potentiellement infini, cette nouvelle classe de médicaments devrait continuer à devenir incontournable dans les prochaines décennies et couvrir de nombreux autres champs de notre spécialité. Compte-tenu des interactions étroites de cette classe médicamenteuse avec notre système immunitaire, il convient de signaler qu’il n’existe pas de modèles animaux précliniques parfaitement pertinents permettant d’évaluer de façon fiable ces interactions dans le développement de ces biomédicaments.

Take home messages

• •. Le développement des Acm thérapeutiques est le résultat de progrès considérables et récents réalisés dans le domaine des biotechnologies.
• •. La plupart des Acm thérapeutiques sont des immunoglobulines de type IgG1 et ils possèdent une structure et des fonctions similaires à celles des immunoglobulines endogènes.
• •. Les Acm de sous-classe IgG1 ont un caractère bifonctionnel :
  • –. les bras Fab de l’anticorps se lient avec l’épitope d’un antigène cible pour produire le plus souvent un effet antagoniste sur un système d’interaction ligand-récepteur
  • –. la portion Fc de l’anticorps a la capacité de se lier à des récepteurs Fcγ ou au complément permettant, respectivement, l’activation de cellules de l’immunité telles que les macrophages et les lymphocytes NK et l’activation de la voie classique du complément
• •. Le nombre d’antigènes pouvant être ciblés par les Acm est potentiellement infini et les procédés de bio-ingénierie permettent d’optimiser les fonctionnalités de ce type de biomédicament en termes d’efficacité et de tolérance.

Conflits d’intérêts

TL : coordinateur d’un essai clinique évaluant le bévacizumab dont le promoteur est le CHU de Tours et en partie financé par le laboratoire Roche (bourse). Coordinateur d’un essai clinique évaluant l’ADCC du cétuximab dont le promoteur est la société Glycode. Co-investigateur de 2 essais cliniques évaluant le bévacizumab dont le promoteur est le laboratoire Roche. Co-investigateur d’un essai clinique évaluant le panitumumab dont le promoteur est le laboratoire Amgen. Conférences et invitations en qualité d’auditeur par les laboratoires Roche, Amgen, Merck-Serono. AA : interventions ponctuelles pour le laboratoire Abbott. AP : aucun. GP : investigateur principal d’essais cliniques pour les laboratoires Roche Pharma et Novartis. Interventions ponctuelles pour les laboratoires Pierre Fabre et LFB. Versements substantiels au budget d’une institution dont il est responsable : Wyeth, Janssen. HW : aucun.

Références

Les références importantes apparaissent en gras

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