La cationisation, un procédé de vectorisation des anticorps dans le système nerveux central

Problèmes recontrés pour son application dans le cadre de stratégies d’immunothérapie comme celles des intoxications clostridiales

Cationization, a process for the delivery of antibodies to the central nervous system

Difficulties encountered in its application for immunotherapy strategies such as those for clostridial intoxications

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Résumé

Le système nerveux central est isolé du reste de l’organisme par la barrière hémato-encéphalique. La présence de cette barrière empêche la pénétration cérébrale de nombreuses molécules, comme les anticorps, ce qui rend difficile leur utilisation pour le traitement de maladies du système nerveux, telles que le tétanos et le botulisme. Ces deux maladies sont provoquées par des bactéries du genre Clostridium qui libèrent des toxines dont le neurotropisme est maintenant bien connu. Dès lors qu’elles ont pénétré le système nerveux central, ces toxines deviennent inaccessibles à des anticorps spécifiques, alors que ces molécules sont efficaces dans le traitement des risques tétanique et botulique, c’est à dire lorsque les toxines sont localisées en périphérie. Différentes techniques neurochirurgicales peuvent être utilisées pour délivrer les anticorps dans le cerveau. Néanmoins, les stratégies de délivrance fondées sur l’utilisation de mécanismes ou de systèmes de transport existant naturellement au niveau des cellules de la barrière hémato-encéphalique sont plus prometteuses. La cationisation des protéines est un procédé chimique qui consiste à augmenter la densité de charges positives de ces molécules afin de favoriser leurs interactions avec les charges négatives présentes à l’intrados des capillaires cérébraux. Appliqué aux anticorps, ce procédé de vectorisation permet la pénétration de ces macromolécules dans le cerveau par un mécanisme de transcytose médiée par adsorption. Les études in vivo et in vitro réalisées avec une grande variété d’anticorps cationisés font apparaître de nombreuses difficultés pour la mise en place de stratégies d’immunothérapie fondées sur l’utilisation de ces molécules. Ces difficultés concernent, entre autres, une possible altération de la fonction des anticorps due à la cationisation, et une modification de la cinétique et de la distribution tissulaire des anticorps cationisés due au radiomarquage de ces molécules et/ou leur fixation à des facteurs sériques. Plusieurs types de vecteurs aminés (hexaméthylènediamine, polyamines naturelles) sont utilisés pour cationiser les anticorps. Les résultats de capture cérébrale obtenus avec une variété de protéines cationisées par ces différentes amines semblent indiquer l’existence d’une plus grande spécificité cérébrale pour les molécules modifiées par les polyamines naturelles que pour celles modifiées par l’hexaméthylènediamine. La mise en place de modèles expérimentaux permettant de vérifier l’efficacité thérapeutique des anticorps cationisés, une fois ceux-ci vectorisés dans le cerveau, s’avère nécessaire. Malgré l’existence de nombreuses difficultés, les études décrites dans cette synthèse, ainsi que les acquis dans le domaine de l’ingénierie et de la fragmentation des anticorps, permettent d’envisager de nouvelles orientations thérapeutiques des intoxications provoquées par les neurotoxines clostridiales.

Abstract

The central nervous system is separated from the rest of the body by the blood-brain barrier. This barrier prevents many substances, such as the antibodies, to penetrate into the brain making it difficult to use them for the treatment of brain diseases, such as tetanus and botulism. These two diseases are caused by the development of bacilli of the genus Clostridium which release neurotropic toxins. Specific antibodies can neutralize toxin activity when the toxin is in the blood but are ineffective when it is transported into nerve cells. Various invasive strategies have been used to deliver antibodies to the brain. However, they can induce seizures and transient neurologic deficits and may be applicable only for diseases restricted to the brain surface. Physiologically based strategies utilizing transport systems naturally present at the blood- brain barrier appear to be a more promising approach to brain delivery of antibodies. Cationiza- tion is a chemical treatment that causes the conversion of superficial carboxyl groups on a protein into extended primary amino groups. This is used to increase interactions of this protein with the negative charges at the luminal plasma membrane of the brain endothelial cells. The cationized protein can then undergo adsorptive mediated transcytosis through the blood-brain barrier. There are many problems yet to be solved in successfully carrying out in vivo applications of cationized antibodies. One of these problems is that cationization can cause damage to an antibody molecule and, thus, can compromise its binding affinity. Depending on the radiolabelling of the cationized antibodies, a serum inhibition phenome non can possibly alter the pharmacokinetics and the organ distribution of these molecules. The antibodies can be cationized using various, synthetic (hexame- thylenediamine) or naturally occuring (e.g., putrescine) polyamines. Hexamethylenediamine-induced and putrescine-induced brain uptakes of various antibodies and proteins have been shown, but the results obtained suggest that cationization with putrescine may be a more efficient approach to blood-brain barrier delivery. The development of animal or cellular models to check for therapeutic efficacy of cationized antibodies is necessary. In spite of the difficulties, the studies described in this paper indicate that cationization can be a realistic delivery strategy for carrying antibodies across the blood-brain barrier. The advances made in antibody technologies help generate more appropriate immunological structures for brain transfer with better effector functions and decreased immunogenicity or toxicity. Taken together, these two aspects can lead to further developments in treatment of intoxications caused by the clostridial neurotoxins.