Посещений: 
БОЛЕЗНЬ АЛЦГЕЙМЕРА
Tau иммунотерапия
Tau immunotherapy for Alzheimer's disease Jan Torleif Pedersen, Einar M. Sigurdsson
 Trends in Mol. Med. Volume 21, Issue 6, p394–402, June 2015
| |
|
From amyloid-β to tau
ВОЗ и Alzheimer Disease International (ADI) подсчитали, что затраты на содержание стариков будут увеличиваться и что количество диагностированных деменций утроится к 2050 [1, 2]. Первым лечением для AD стали модуляторы нейротрансмиттеров, такие как ингибиторы acetylcholine esterase и N-methyl-D-aspartate (NMDA) модуляторы.
Считается [3], что нейродегенерация при AD вызывается отложениями Aβ в бляшках и что накопление Aβ в головном мозге является основным двигателем патогенеза. Нейродегенерация и возникновение нейрофибриллярных узелков , которые в основном представлены белком tau, как полагают, результат дисбаланса между продукцией и удалением Aβ. Хотя эта гипотеза строго подкреплена генетической связью, доказательства для Aβ в качестве причинного агента всех нижестоящих патологий остаются отрывочными [4].
Продолжительные исследования старых людей [5, 6, 7], вместе с крупными исследованиями геномных ассоциаций [8], показали. что пациенты с клиническим фенотипом AD формируют гетерогенную смесь деменций. Свыше 10% пациентов с продвинутой AD не имеют Aβ патологии [9]. Braak and Braak [10] продемонстрировали четкую корреляцию между степенью патологии нейрофибриллярных узелков и состоянием познавательной способности. Недавние исследования биомеркеров показали, что в спинно-мозговой жидкости уровни tau и phospho-tau увеличиваются при переходе от ранних к поздним стадиям болезни [12].
Специфические генетические варианты tau оказались ассоциированы с семейными формами frontotemporal dementia (FTD) [13]. Возникновение tau патологии при AD происходит в виде самостоятельного пространственного паттерна, начинаясь в entorhinal коре, следуя в гиппокамп и кортикальные области [10]. Специфическая стадия tau патологии также коррелирует с познавательной способностью [11, 14]. Базирующаяся на tau гипотеза AD предполагает, что накопление внутри клеток tau приводит к разборке микротрубочек, коллапсу спинальных дендритов и дегенерации аксонов. Наступают нарушения коммуникаций между нейронами и их гибель. Tau сам по себе может формировать патогенные образования, которые могут передаваться от клетки к клетке [15].
Tau as an endopathogen
Tau сам по себе может действовать как внутренний патоген [15], как показали исследования с фрагментами tau [16]. Мыши ALZ17 являются tau трансгенными мышами, которые обнаруживают патологию поздно [18]. Инъецированные экстракт головного мозга от P301S мышей мышам ALZ17 быстро формируют солидные филаментозные tau патологические образования, а применение иммуно-истощенных экстрактов от P301S мышей или экстрактов о мышей дикого типа не вызывали tau патологии. Фракционирование экстрактов головного мозга на растворимые (S1) и sarkosyl нерастворимые tau (P3) [19] и инъекции их ALZ17 мышам продемонстрировали, что P3 фракция наиболее компетентна в отношении индукции патологии. Она содержит большинство внутриклеточных избыточно фосфорилированных филаментозных tau. Большинство патологий может быть также индуцировано, если P301S экстракты инъецировали в головной мозг мышей дикого типа, не формировались neurofibrillary tangles (NFTs). Clavaguera et al. показали, что человеческие tau, выделенные из ткани головного мозга трупов с др. таупатиями [argyrophilic grain disease (AGD), progressive supranuclear palsy (PSP) и corticobasal degeneration (CBD)], также могут индуцировать tau патологию у ALZ17 моделей [20- 22]. Основное заключение: патогенные tau во внутриклеточных включениях секретируются из клеток в периплазматическое пространство и затем транспортируются по везикулярному слою (glymphatic system) в антероградном и ретроградном направлении и затем принимаются соседними клетками посредством массового эндоцитоза. Периферическое воздействие патологических tau может ускорять формирование tau патологии у ALZ17 мышей [23].
Tau species
Ген для microtubule-associated protein tau (MAPT) располагается на хромосоме 17 генома человека и экспрессирует 6 изоформ tau белка в головном мозге взрослых людей, но не в периферической нервной системе (PNS). Эти изоформы возникают в результате альтернативного сплайсинга экзонов 2, 3 и 10 из 16 экзонов в MAPT. Экзоны 2 и 3 экспрессируют 29- и 58-аминокислот, соотв., а экзон 10 экспрессирует дополнительный домен связывания микротрубочек. Как результат, tau изоформы содержат ноль, один или два N-терминальных повтора и 3 или 4 C-терминальных домена, связывающих микротрубочки (3R или 4R tau). Чаще всего экспрессируются 6 изоформ tau. Самая длинная (2N4R) и самая короткая (0N3R) изоформы представлены 441 и 352 аминокислотами, соотв. [26]. N-терминальный проекционный домен tau (2N4R) представлен 44-аминокислотной последовательностью, богатой глицином, а остатки 45-102 соответствуют двум очень кислым регионам (N1 и N2-домены; Figure 1). Два богатых пролином региона обнаружены в остатках 151-243 (P1 и P2 домены). Остальная часть белка представлена 4 доменами связывания микротрубочек (R1-R4), сопровождаемых коротким C-терминальным регионом.
Tau легко растворим и очень лабилен к фосфорилированию (т.e., частично развернут и доступен для киназ). Приблизительно 20% (или 85 аминокислотных остатков) самой длинной изоформы tau являются склонными к фосфорилированию (Ser, Thr илиTyr) сайтами. Приблизительно половина из них может быть фосфорилирована экспериментально [27, 28], и образует кластеры вокруг терминальных остатков доменов, связывающих микротрубочки [28]. Tau динамически фосфорилируется и дефосфорилируется во время клеточного цикла. Он может быть диссоциирован от микротрубочек, делая тем самым возможным прохождение митоза. Его основная роль в пост-митотических клетках (т.e., в дифференцированных нейронах) заключается в стабилизации микротрубочек. Он может ассоциировать с микротрубочками олько в своей дефосфорилированной форме, т.е. фосфорилирование действует как прямое переключение ассоциации-диссоциации в нейронах. В парном спиральном филаментозном материале, по крайней мере, 7-8 сайтов фосфорилированы [27,28, 29].
Единственное структурное исследование полной длины tau (2N4R) с использованием NMR спектроскопии показало, что белок содержит лишь редкие участки стабильной вторичной структуры [30], а вторичная структура пептидного остова обнаруживает высокую склонность к принятию β-sheet структуры. Присутствие множества специфических дально-действующих взаимодействий в белке в растворе показывает, что он существует в основном в неупорядоченном расплавленном глобулярном состоянии [31].
Протеазы, в частности caspase и calpain, расщепляют на фрагменты tau (Asp13, Glu391 и Asp421)в материале узелков [32]. Укорочение по Asp421, как полагают, является ранним событием в патогенезе AD, связанным с индукцией апоптоза [33], но, по-видимому, происходит позднее у трансгенных мышей [34]. N-терминальное расщепление по Asp13 и C-терминальное расщепление по Glu391 рассматриваются как более поздние события патогенеза [33, 34]. Недавно идентифицирован дополнительный N-терминальный фрагмент (остатки 1-224) в CSF от пациентов с AD и PSP, и было предположено, что это ранний маркер болезни и особенно патогенный [35-38].
Помимо гипер-фосфорилирования и фрагментации tau наблюдается пост-трансляционное ацетилирование [39, 40] и O-GlcNAcylation [41] , предположительно участвующие в патологическом процессе и формировании патологии узелков, ассоциированных с AD [26, 30].
Tau immunotherapies
На сегодня базирующиеся на tau программы иммунотерапии находятся на клинических испытаниях и представлены в Table 1 [42-45].
Table 1 Ongoing tau immunotherapy programs
Active vaccines in clinical trials
Активная вакцина разработана AC Immune AG (Lausanne, Switzerland) в сотрудничестве Fred van Leuven at the Catholic University of Leuven (KU Leuven). Эта программа вакцинации осуществляется в партнерстве с Janssen Pharmaceuticals. Вакцина - это в 16 аминокислот tetra-palmitoylated phospho-tau пептид (tau393- 408[pS396, pS404]) в липосомах из di-myristoylphosphatidylcholine (DMPC), di-myristoylphosphatidylglycerol (DMPG), cholesterol и adjuvant monophosphoryl lipid A (MPLA). Она вызывает быстрый иммунный ответ против иммуногена у дикого типа и трансгенных P301L мышей, приводя к умеренной редукции гипер-фосфорилированного патологического (64 kDa) tau и tau патологии [46]. Эти благоприятные эффекты не были ассоциированы с какими-либо побочными воспалительными реакциями. Клинические испытания идут, но детали недоступны.
Axon Neuroscience and Michal Novak
AADvac1 стала первой анти-tau вакциной, допущенной к клиническим испытаниям, она разработана Axon Neuroscience (Bratislava, Slovak Republic). Она представлена фрагментом tau пептида, Tau294-305 (294KDNIKHVPGGGS305), сцепленным с keyhole limpet hemocyanin (KLH) посредством N-терминального цистеина, и применяется с Alhydrogel alum adjuvant. У трансгенных tau крыс вакцина снижала tau патологию и ассоциированные поведенческие отклонения [47]. Как сообщалось, она нацелена на неправильно упакованный tau при AD, и её надежность, эффективность оценивается в Phase I клинического испытания, проводимого в трех центрах Австрии [48]. Пациенты с умеренной или продвинутой AD д. получать от 3-х до 6 доз иммунизации.
Passive vaccines in clinical development
AC Immune, Genentech, KU Leuven and Fred van Leuven
Мышиные моноклональные антитела против phospho-serine 409 в tau, первоначально разработаны Fred van Leuven at the Catholic University of Leuven [49]. Они были, скорее всего, выделены от мышей, иммунизированных самой длинной версией пептида tau, чтобы получить активную вакцину ACI-35 [50]. Антитела были профилированы против человеческой AD и для контроля головного мозга человека, и были отобраны, исходя из их способности распознавать узелковую патологию [49]. Описана гуманизация двух типов антител, hACI-36-2B6-Ab1 и hACI-36-3A8-Ab1, оба связывают tau эпитоп с аминокислотами 401-418 [49].
Axon Neuroscience and Michal Novak
Axon Neuroscience заняась также поиском антител, распознающих и удаляющих фрагменты, вызывающие образование узелков и олигомеров [51]. После иммунизации мышей AADVac1 tau пептидом 294-305, были получены некоторые антитела. Они оказались пригодными для трансгенных модельных крыс, экспрессирующих укороченный человеческий tau [52]. DC8E8, по-видимому, дают антитела и были гуманизированы [51].
Biogen Idec, Panima Neurosciences, and Roger Nitsch
Группа Roger Nitsch из University of Zurich (Switzerland) выделила tau аутоантитела от старых здоровых индивидов с отсутствием признаков дегенеративной таупатии. Ключевым преимуществом такого подхода над традиционной стратегией получения мышиных моноклональных антител стало то, что человеческие антитела получаются непосредственно. Некоторые из изолированных антител, использовавшие полной длины рекомбинантный человеческий tau (2N4R) в качестве 'затравки' восстанавливали tau-специфические антитела. Три типа антителs, 4E4, 4A3 и 24B2, были описаны в патентной литературе [53, 54]. Все распознают аминокислоты от C-терминального до региона связывания микротрубочек. Эти антитела не обладали какой-либо phospho-специфичностью.
C2N Diagnostics, David Holtzman and Marc Diamond
C2N Diagnostics Inc., основанная David Holtzman и Randal Bateman (at the School of Medicine, Washington University) в сотрудничестве с Marc Diamond, сгенерировали антитела против полной длины человеческого и мышиного tau белка [55]. Три типа антител с разной кинетикой связывания были отобраны для оценки in vivo: HJ9.3, HJ9.4 и HJ8.5, распознающие tau остатки 306-320, 7-13 и 25-30, соотв., при этом последние оказались специфичными для человеческого tau. Антитела были также отобраны, базируясь на их способности предупреждать перенос патологии tau между клетками [16, 56, 57]. У P301S трансгенных мышей ьыла продемонстрирована их способность снижать уровни гипер-фосфорилированного tau белка. Нет данных о терапевтическом использовании этих антител, но HJ8.5 были наиболее эффективны и могут давать антитела. Эта программа недавно запатентована AbbVie.
Eli Lilly and Peter Davies
Eli Lilly запатентовал архитипические tau антитела Peter Davies at Hofstra North Shore-LIJ School of Medicine (Manhasset, NY, USA). Оценка терапевтической пригодности PHF1 и MC1 была продемонстрирована на P301S и JNPL3 (P301L) мышах [43, 44, 58, 59]. PHF1 распознают линейный phospho-tau эпитоп (pS396, pS404) тогда как MC1 являются зависимыми от конформации антителами, которые распознают структурный tau эпитоп, нуждающийся в двух самостоятельных частях линейной последовательности, эпитоп внутри остатков 46-202 и C-терминальный эпитоп между остатками 312 и 342 [60, 61]. MC1-специфический эпитоп, по-видимому, доминирует во время ранних стадий болезни [60, 61]. Инъекции этих двух антител в хроническом 12-13-недельном исследовании по иммунизации приводили к достоверному снижению патологии в спинном мозге и стволе мозга среди прочих регионов головного мозга, которые обнаруживали ослабление моторного дефицита, наблюдаемого у этих мышей. Высокого сродства антитела, распознающие весь tau, оказались неэффективны по сравнению с низкого сродства конформационными антителами MC1 [59].
Hoffman-La Roche
Группа Roche сосредоточилась на разработке антител (MAb86), распознающих pS422 эпитоп tau, который наиболее выражен в дендритах нейронов [62, 63]. Это хорошо согласуется с перемещением с тела на дендриты tau, ассоциированного с нейропатологией AD [62]. Более того, антитела и tau совместно локализуются с flotillin, преимущественно в липидных платформах мембраны нейронов. Антитела и tau обнаруживаются также в лизосомах нейронов. Хроническое 16-недельное воздействие на triple-трансгенных TauPS1APP мышей продемонстрировало снижение phospho-tau патологии. Целенаправленное воздействие на этот эпитоп активной вакцинацией, как было установлено, эффективно на THY-Tau22 трансгенной модели [64].
Intellect Neurosciences and Lester Binder
Intellect Neurosciences разработала два типа антител, TOC-1 и TauC3. TOC-1 были разработаны Lester Binder at Northwestern University (Chicago, IL, USA), и являются конформационными антителами, распознающими олигомер или префибриллярные формы tau [65]. Рекомбинантный tau был перекрестно сцеплен с benzophenone и очищен. Очищенный димерный материал инъецировали мышам, чтобы получить Tau Oligomeric Complex-1 (TOC-1) антитела [66]. Картирование эпитопа этих антител показало, что связывание зависит от остатков, фланкирующих обе стороны 4-х регионов, связывающих микротрубочки белка tau protein.
Их др. антитела, TauC3, являются специфически укороченными и распознают C конец Asp421 caspase-укороченного tau [32]. Мышиные антитела были получены против tau412-421 (C-412SSTGSIDMVD421), соединенные посредством N-терминального цистеина с maleimide-активируемым KLH. Aβ1-42, как было установлено, вызывает активацию каспазы в первичных культурах кортикальных нейронов крыс, это приводит к расщеплению Asp421 taue [32]. Было предположено, что активация каспазы на ранней proapoptotic ступени инициирует каскад нейродегенерации [33], формируя тем самым привлекательную терапевтическую мишень. Однако, точные следствия и значение протеолитического расщепления tau в патологическом процессе оспариваются находками у мышей, показавшими, что протеолитическое расщепление tau может быть, скорее всего, поздним процессом в патологическом каскаде [34].
iPerian and Bristol Meyers Squibb
iPerian Inc., недавно купленный Bristol Meyers Squibb, разработала tau антитела против предполагаемых патологических типов tau, представленных N-терминальным фрагментом tau (eTau: остатки 1-224). Охарактеризованы в основном антитела IPN001 и IPN002, распознающие N-терминальный эпитоп в остатках 9-18 [35]. Эти антитела обнаруживают повышенные уровни eTau в CSF от пациентов с AD и PSP, которые могут быть ранними признаками болезни. Инъекции in vivo JPNL3 (P301L) мышам приводят к частичному восстановлению прогрессивного двигательного дефицита [35].
Lundbeck, NYU, and Einar Sigurdsson
Это была первая программа для демонстрации эффективности базирующейся на tau иммуннотерапии. Активная вакцина, представленная tau пептидом 379-408 [pS396, pS404] вместе с Adju-Phos адьювантом была использована для иммунизации JNPL3 (P301L) мышей [42]. Наблюдалось заметное снижение tau патологии у мышей, подвергнутых действию вакцины. Наблюдалось и ослабление с таупатией связанных моторных фенотипических отклонений. Эффективность вакцины была подтверждена на разных мышиных моделях (hTau/PS1), не вызываемых мутантными tau [67]. Сходне эффекты были получены с PHF1 антителами, распознающими pS396/pS404 эпитоп, а также и с др. антителами против эпитопа, разработанные в Sigurdsson лаб. New York University (NYU) School of Medicine [43, 44, 68, 69].
Pfizer Inc.
Pfizer разрабатывает куриные антителе против традиционных сайтов с избыточным фосфорилированием. Антитела получены против пептидов, покрывающих три эпитопа (pT212/pS214; pT231/pS235 и pS396/pS404) [70]. Подтверждена избирательность к избыточному фосфорилированию, хотя специфического связывания с 64-kDa гиперфосфорилированных патологически tau не обнаружено [70]. Shih с сотр. удалось создать co-crystal структуру pT231/pS235 пептида и антитела против этого эпитопа, которые предоставили информацию о структурных потребностях для phospho-специфичности. В этой структуре, CDR-H2 образует ключевой положительно заряженный карман, который может приспосабливаться к группам фосфатов в пептиде.
Prothena Corporation, Lars Ittner and Jürgen Götz
Prothena Corporation разработала tau антитела в содружестве с Lars and Arne Ittner at the University of Sydney, and Jürgen Götz at the University of Queensland применительно к K369I (K3) трансгенным tau мышам и P301L мышиной модели [71]. Два типа pS404 антител с разными изотипами with different (IgG1/k and IgG2a/k) после инъекций вызывали снижение tau-позитивных нейрофибриллярных включений и pS422-позитивных tau у K3 мышей. Тенденция к снижению pS422-позитивных tau наблюдалось для IgG1/k pS404 антител, но не обнаруживалось снижения у мышей, обработанных pan-tau (IgG1/k) антителами [71]. Однако, др. тотальные антитела, 16B5, обнаруживали эффективность согласно патенту [72]. Они были гуманизированы, распознавали N-терминальную последовательность, соответствующую остаткам 23-46, и снижали sarkosyl нерастворимые phospho-tau после хронической обработки P301L мышей [72].
Teijin Pharma and Hiroshi Mori
Группа Hiroshi Mori at Osaka University (Japan) разработала мышиную модель с изменчивыми уровнями человеческого дикого типа tau. Они содержали человеческий tau с вариантом интрона 10 (16 C->T мутацией), с повышенной экспрессией tau белка, благодаря повышенной эффективности сплайсинга или стабильности транскрипта [73]. При создании этой модели были получены tau антитела в сотрудничестве с Teijin Pharma. Антитела Ta1505, которые распознают pS413 на C конце tau, были оценены на трансгенной линии мышей 609 и оказались способны снижать образование нейрофибриллярных узелков и избыточно фосфорилированных 64-kDa tau [74, 75].
Other approaches
pS/pT-cis-proline-специфические антитела были получены с использованием элегантного подхода химии пептидов [81, 82]. Иммунореактивность этих конформационных антител локализуется совместно с предузелковыми аномалиями, подтверждая, что pS/pT-cis-proline структуры образуют места засева (seeding species) для образования узелков.
Mechanism of anti-tau immunotherapy
Существуют две комплементарные гипотезы, а именно, что антитела взаимодействуют с внеклеточными и/или внутриклеточными типами tau, и тем самым способствуют их удалению и предупреждают распространение патологии.
Все терапевтические tau антитела д. работать вне клеток, соединяясь с внеклеточными tau агрегатами, предупреждая тем самым их распространение на соседние нейроны. Комплексы антитела-tau, скорее всего, фагоцитируются с помощью микроглии зависимым от изотипа способом. Оптимальный immunoglobulin (Ig)-G изотип для лечебных tau антител предстоит исследовать детально, он может быть важным для очистки от tau [71]. При отсутствии патологии, tau и phospho-tau может быть измерен в interstitial fluid (ISF) и CSF, это подтверждает, что синаптическая дисфункция связана со специфическими патологическими видами tau. Следовательно, внеклеточные tau или tau, ассоциированные с синаптическими мембранами могут быть вредными для функционирования нейронов при патологических условиях [84, 85]. Т.о., удаление или нейтрализация таких внеклеточных патологических tau с помощью лечебных антител может оказывать острый симптоматический эффект.
Внутриклеточная секвестрация и очистка tau подтверждается исследованиями на некоторых грызунах и культуральных моделях [42, 63, 68, 69, 86, 87]. Судьбы антител в нейронах неясна, но они постоянно обнаруживаются в системе endosomal-autophagosome-lysosome в ассоциации с агрегатами tau. Это указывает на то, что антитела способствуют очистка от tau путем разборки агрегатов tau. Проникновение антител в нейроны, как было установлено, является обязательным условием для острой очистки от tau [68]. акое внутриклеточное взаимодействие может также секвестрировать белок tau, предупреждая его секрецию и последующее распространение по всему головному мозгу. Также предполагаются специфические механизмы внутриклеточной очистки патогенных тау с помощью Tripartite motif-containing protein 21 (TRIM21) [88]. Он осуществляется посредством низкого сродства Fc рецепторов, при этом очень небольшая порция антител проникает с помощью массового эндоцитоза [68, 69].
Concluding remarks and future perspectives
Вопросы, оставшиеся за пределами Aβ иммунотерапии рассмотрены в обзоре Todd Golde [4].
Мы описали несколько разных подходов воздействия на tau антителами: (i) hyperphosphorylated tau; (ii) total tau; (iii) specific tau conformations; (iv) multimeric tau; or (v) tau fragments. Каждый имеет определенные преимущества и недостатки.
Targeting hyperphosphorylated tau is an attractive approach because various phospho-tau epitopes are selectively and/or specifically associated with disease pathology. The main disadvantage is that the prominence of individual phospho-epitopes will depend on the stage of the disease and, to a lesser extent, on the brain region and the subject. The main advantage of focusing on total tau is that a larger pool of tau can be targeted. However, potential toxicity associated with antibody-mediated clearance of normal tau protein is of some concern. Also, total tau can probably never be fully targeted. The key advantages of targeting specific multimeric species or conformations of tau are that pathological entities may be selectively and/or specifically targeted. However, these species and/or conformations are not as well characterized as the various phospho-epitopes. Furthermore, such antibodies are usually of lower affinity, which may reduce efficacy. Some may recognize similar conformations in other disease-related protein aggregates, but are then also more likely to react with β-pleated sheets of normal proteins with potential adverse effects. With respect to truncated forms of tau, recent biomarker studies of AD, mild cognitive impairment (MCI), and control CSF samples [89] have demonstrated that CSF tau in AD and MCI individuals comprises primarily various fragments.
Given that clinical tau immunotherapy programs are in their infancy, no pharmacokinetics (PK) and pharmacodynamics (PD) data have yet been reported. In related studies, it is surprising how limited PK/PD data have been presented for the Aβ immunotherapy trials. Data from microdialysis studies in P301S mice suggest that tau differs substantially from Aβ when it comes to central half-life [91]. The half-life of tau in the interstitial fluid of the brain is approximately 11 days [91], whereas for Aβ it is approximately 1-2 h [92]. This means that it may be easier to obtain a high degree of target engagement and clearance for a centrally acting therapeutic tau antibody than an Aβ antibody.
Update
Два дополнительных клинических испытания инициированы недавно. Оба являются испытаниями пассивной иммунизации на здоровых субъектах (см. ClinicalTrials.gov: NCT02294851 и NCT02281786). Одно проводится с IPN007 пнтителами, разработанными iPerian против N-терминального фрагмента tau (NCT02294851). Др. проводится с антителами, нацеленными на phospho-serine 422 белка tau (NCT02281786).
|