Novel EGFR family member binding antibodies as cancer therapeutics

Abstract

As conventional anticancer therapeutics often lack specificity and thus lead to toxicities to healthy tissues, monoclonal antibodies implicating specific targeting and low toxicity profiles have become attractive therapeutic drug candidates. ErbB receptors are valuable targets for antibody-mediated tumor therapy. The receptor tyrosine kinase (RTK) HER2 is a well-established tumor antigen whose overexpression is associated with adverse prognosis in breast cancer. The kinase impaired RTK HER3 has only recently emerged as target for antibody-mediated tumor therapy. In this study, a panel of scFv selected by phage display from the naïve human antibody gene libraries HAL7 and HAL8 were characterized. Two novel human monoclonal antibodies, IgG 2-35 and IgG 3-43, were developed from the candidates revealing highest affinity to cell surface expressed HER2 and HER3, respectively. IgG 2-35 bound to HER2 expressing cancer cells with EC50 values between 200 and 330 pM. Furthermore, IgG 2-35 was able to reduce EGF mediated proliferation of two HER2 overexpressing cancer cell lines. IgG 3-43 bound to an epitope conserved between human and mouse HER3. The bivalent IgG bound recombinant bivalent HER3 with subnanomolar affinity (KD = 220 pM) and HER3-expressing tumor cells with EC50 values in the low picomolar range (3 - 30 pM). The antibody competed with heregulin for binding to HER3-expressing cells, efficiently inhibited both, heregulin induced and basal phosphorylation of HER3 as well as downstream signaling, and induced receptor internalization and degradation. Furthermore, IgG 3-43 inhibited heregulin-dependent proliferation of several HER3-positive cancer cell lines. Inhibition of tumor growth and prolonged survival was demonstrated in a FaDu xenograft tumor model in SCID mice. The findings demonstrate that IgG 3-43 efficiently blocks activation of HER3, thereby inhibiting tumor cell growth both in vitro and in vivo.

Herkömmliche Krebsmedikamente sind oft unspezifisch und greifen daher auch gesundes Gewebe an. Monoklonale Antikörper versprechen spezifisches Targeting von Tumorzellen und geringe Toxizität, was sie zu attraktiven Kandidaten für Tumortherapeutika macht. Rezeptoren der EGFR-Familie sind wertvolle Zielstrukturen für die Antikörpervermittelte Tumortherapie. Die Rezeptortyrosinkinase HER2 ist ein etabliertes Tumorantigen, dessen Überexpression mit einer schlechten Prognose in Brustkrebs assoziiert ist. Die Rezeptortyrosinkinase HER3 wurde hingegen, unter anderem aufgrund ihrer eingeschränkten Kinaseaktivität, erst in jüngerer Zeit als strategisch wichtiges Tumorantigen bekannt. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Set an variablen Antikörperdomänen, die zuvor mittels Phage-display aus einer Antikörpergenbibliothek isoliert wurden, als einzelkettiges variables Fragment (scFv) exprimiert und gescreent. Aus den Kandidaten mit den besten Bindungseigenschaften zu ihren zellulären Antigenen wurden zwei neuartige humane monoklonale Antikörper, IgG 2-35 und IgG 3-43, entwickelt. Die Antikörper wiesen hohe Affinität zu HER2 beziehungsweise HER3 auf. IgG 2-35 band HER2-exprimierende Krebszelllinien mit EC50-Werten zwischen 200 und 330 pM. Zudem konnte IgG 2-35 die EGF vermittelte Proliferation in zwei HER2 überexprimierenden Krebszelllinien reduzieren. IgG 3-43 erkannte ein Epitop, das bei humanem und murinem HER3 konserviert ist. Die Affinität zwischen dem bivalenten Antikörper und rekombinantem bivalentem HER3 wurde mittels Quarzkristallmikrowaage-Technik gemessen und lag mit einer Dissoziationskonstante von 220 pM im subnanomolaren Bereich. HER3 exprimierende Krebszelllinien band IgG 3-43 mit EC50-Werten im niederen pikomolaren Bereich (3-30 pM). Der Antikörper konkurrierte mit Heregulin um die Bindung von HER3 exprimierenden Zellen, inhibierte die Phosphorylierung von HER3 sowie von nachgeschalteten Signalmolekülen, und induzierte die Internalisierung und Degradierung des Rezeptors. Zudem inhibierte IgG 3-43 die Heregulin-abhängige Proliferation mehrerer HER3-positiven Krebszelllinien. Die Inhibierung von Tumorwachstum und ein verlängertes Überleben wurde in einem FaDu Xenograft-Modell in SCID-Mäusen nachgewiesen. Die erzielten Ergebnisse bestätigen, dass IgG 3-43 in effizienter Weise die Aktivierung von HER3 blockiert und dadurch das Wachstum von Tumorzellen sowohl in vitro als auch in vivo inhibiert.