Pharmacologie des anticorps thérapeutiques INSERM CIC-P 1414

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1 Pharmacologie des anticorps thérapeutiques Dr Antoine Petitcollin Laboratoire de Pharmacologie Biologique & INSERM CIC-P 1414 DGFSM2 - UE Bases moléculaires, cellulaires et tissulaires des traitements - année 2016/2017

2 Liste des abréviations - définitions Fc : fragment cristallisabme Fab : fragment antigen binding CDR : complementary determining region ADCC : Antibody dependant cellular cytotoxicity CDC :complement dependant cytotoxicity Paratope : zone de liaison de l anticorps, spécifique de l antigène Épitope : structure de l antigène spécifique reconnue par le paratope de l anticorps F : phagocytose FcgR : récepteur au fragment Fcg (fragment Fc des IgG) FcRn : récepteur néonatal au fragment Fc (récepteur de Brambell) RI : réponse immunitaire AcMo : anticorps monoclonal MAI : maladie auto-immune

3 Rappels sur les anticorps Structure, anticorps mono et polyclonaux

4 Introduction - généralités Anticorps = immunoglobuline Protéine 150 kda, produits par les plasmocytes (réaction adaptative humorale) Structure caractéristique : 2 chaînes lourdes liées entre elles par des ponts disulfures 2 chaînes légères liées au chaînes lourdes par des ponts disulfures formes mono, di, tri et pentamériques (+/- pièces sécrétoires et chaîne J) Structure fonctionnelle particulière : Selon les sous-domaines : VL, CL, VH, CH1 à CH4 (Variable, Constant, Light, Heavy) Selon les fragments produits par digestion enzymatique : Fc, Fab, F(ab )2 Plusieurs classes d Ig (IgG, IgA, IgM, IgE, IgD) selon la nature de la chaîne lourde (g, a, m, e, d), sous-classes (ex: IgG1, 2, 3 et 4 chaînes lourdes g1, g2, g3 et g4) et deux types de chaînes légères (l et k) Par exemple : IgG1k = classe G, sous-classe 1, type k

5 Introduction - structure N-terminal = variable Fab = Reconnaissance et fixation de l antigène spécifique Portion Fc = Fonctions effectrices Domaines C H 3 - Fixation aux FcgR ADCC, F et au FcRn (recyclage) Domaines C H 2 - Fixation du C1q CDC Domaines L = light, chaînes légères Domaines H = heavy, chaînes lourdes C-terminal = constant Domaines V H et V L = Variables 3 CDR par domaine V = 6 CDR, formant le paratope Domaines C H et C L = Constants Fc = fragment cristallisable, Fab = fragment antigen binding, CDR = complementary determinig region

6 Introduction - structure épitope CDR paratope

7 Introduction - définitions Anticorps polyclonal : Ensemble d anticorps monoclonaux, avec diverses spécificités Par extension, désigne l ensemble des anticorps produits lors de la RI suite au contact avec un pathogène (nombreuses spécificités différentes correspondant à divers épitopes, reconnus sur divers antigènes, appartenant à un même pathogène) Correspond aux anticorps produits naturellement lors de la réaction immunitaire Anticorps polyclonaux circulants mis en évidence à l électrophorèse des protéines plasmatiques (EPP)

8 Introduction - définitions Anticorps monoclonal : Anticorps spécifique d un seul épitope d un antigène donné Peu présent à l état naturel, clones constituant le pool de spécificités innées ou acquises (TCR) peu de répliques de chaque clone Parfois une Ig monoclonale circulante en grande quantité, issue de clones leucémiques sécrétant des Ig (gammapathie monoclonale, ex : myélome multiple) Anticorps monoclonal produit en grande quantité par un clone leucémique unique, avec une spécificité unique gammapathie monoclonale Produire des anticorps monoclonaux dirigés contre les pathogènes?

9 Introduction - historique Paul Ehrlich, médecin allemand (prix Nobel de Médecine ou Physiologie 1908) Après avoir travaillé sur l immunisation, le transfert d immunité et la sérothérapie, il imagine le concept de «magische Kugel» (1906) Un «boulet magique» capable de cibler spécifiquement un pathogène ou une cellule cancéreuse, en épargnant les tissus sains Près de 80 ans plus tard, ce concept a été concrétisé Production des premier anticorps monoclonaux (AcMo) thérapeutiques, rendue possible par la technique des hybridomes de Kohler et Milstein (1975) Objectif : cibler spécifiquement un épitope précis, présent uniquement sur la cible que l on souhaite attaquer

10 Introduction - historique Premier cas d utilisation d un AcMo chez l Homme : 1980 Production in vitro d un AcMo dirigé contre un antigène spécifique des cellules lymphomateuses du patient Réduction transitoire du nombre de cellules lymphomateuses circulantes après injection

11 Introduction - historique Premier AcMo commercialisé : l Orthoclone OKT-3, anticorps murin anti CD3 (muromonab) ( ) Indiqué dans le traitement du rejet aigu en transplantation solide Nombreux problèmes de tolérance, attribués à sa nature murine Amélioration progressives des techniques de production des AcMo Amélioration des techniques de production, de purification, des rendements Découverte de nouvelles cibles antigéniques extension des champs d application possibles Modifications de l AcMo : chimérisation, humanisation et AcMo «fully-human» améliorant la tolérance ; fragmentation (protéines de fusion, F(ab )2) ; bi-spécificités ; modifications des propriétés du Fc ; etc Développement d anticorps majeurs dès 1980 dans diverses pathologies cancéreuses et auto-immunes notamment AMM françaises récentes même pour les molécules majeures les plus anciennes : rituximab (1998), infliximab (1999), bevacizumab (2004)

12 Anticorps monoclonaux thérapeutiques Production et structures utilisées en thérapeutique

13 Production des anticorps monoclonaux LB polyclonaux spécifiques de multiples épitopes de l antigène d intérêt Cellules myélomateuses immortelles Fusion : génération de cellules immortelles productrices d Ac polyclonaux Mort des cellules non fusionnées Isolation des clones par dilution limite Sélection des clones d intérêt par immunoprécipitation Production in vivo ou in vitro Purification

14 Structures utilisées en thérapeutique Réduction de l immunogénicité Augmentation de la demi-vie Protéine de fusion au Fc cept Gènes des CH et CL humains Gènes des VH et VL humains Gènes des CDR humains

15 Structures utilisées en thérapeutique F(ab )2 Protéine de fusion Anticorps complet PEG Fab Fab modifié

16 Structures utilisées en thérapeutique Isotypes d anticorps complets : les plus nombreux IgG1k essentiellement, qu ils soient chimériques, humanisés ou humains (infliximab, trastuzumab, adalimumab, ) Parfois IgG2 (denosumab) ou IgG4 (natalizumab) pas ou peu d effets médiés par le Fc Protéines de fusion Généralement, Fc lié à des récepteurs humains recombinants (abatacept: CTLA-4, aflibercept: VEGFR1 et 2, etanercept: TNFRp75) Conserve certaines propriétés du Fc (demi-vie longue) Mais perte d autres propriétés (CDC, ADCC)? Diminution de l immunogénicité? Fragments Fab et F(ab )2 Conservent la spécificité de liaison mais perdent les propriétés du Fc Pas d effets cytotoxiques car absence de Fc Monoclonaux purs : ranibizumab (anti-vegf), abciximab (anti-gp2b3a) Certains polyclonaux : F(ab )2 anti-antigènes de venin de vipère, Fab anti-antigènes de digitale Demi-vie courte, ici recherchée : abciximab (antiagrégant SCA), antidotes

17 Structures utilisées en thérapeutique PEG Fragments Fab + PEG Fab lié à une molécule de PEG qui augmente sa demi-vie Absence d effets complémentaires car pas de Fc : pas de fixation du complément ni des FcgR Anticorps couplés Partie anticorps : utilisation de la spécificité du Fab pour atteindre la cible Utilisation du Fc pour augmenter la demi-vie et permettre les effets cytotoxiques Couplage à des molécules d intérêt Cytotoxiques, ex: emtansime, inhibiteur de polymérisation des microtubules (trastuzumab-emtansine) Radioisotopes : destruction de la cible par irradiation (ex: 90 [Y]-ibritumomab)

18 Pharmacocinétique des anticorps monoclonaux thérapeutiques

19 Résumé des principales caractéristiques PK des AcMo Forte variabilité interindividuelle (VII) de la PK Relation dose-concentration variable (cf cours sur le STP) Phénomène partiellement expliqué par des différences physiologiques entre les individus : sexe, poids Nombreuses autres sources de VII Pathologie (cancer ou MAI), activité de la maladie Immunisation contre l AcMo Traitements concomitants : chimiothérapie facilite l accès à la tumeur immunosuppresseurs limitent la formation d anticorps anti-acmo Caractéristiques pharmacocinétiques particulières et inédites des AcMo (IgG) Cinétique proche de celle des IgG endogènes Demi-vie très longue, 14 à 21 jours grâce à un système de recyclage naturel des Ig médié par la liaison au FcRn Conditionne des administrations très espacées (toutes les 1 à 10 semaines selon les AcMo) Les AcMo sont des protéines et sont donc eux-mêmes immunogènes Risque d immunisation contre l AcMo thérapeutique : la patient produit des anticorps dirigés contre l AcMo L immunisation entraîne une élimination très accélérée de l AcMo de l organisme risque d inefficacité thérapeutique

20 Résumé des principales caractéristiques PK des AcMo Pharmacocinétique des AcMo : complexe Grande variabilité interindividuelle de la PK concentrations difficilement prévisibles Administration et résorption Deux voies d administration possibles : IV et SC Absorption lente à partir du tissu sous-cutané Distribution Peu de distribution périphérique, Vd proche du volume vasculaire Pas de passage de la BHE mais passage transplacentaire grâce au FcRn Métabolisme Aucun métabolisme pas d adaptation de la dose à la fonction rénale ou hépatique (mais! toxicité rénale et/ou hépatique de certains AcMo) Excrétion Dégradation lysosomale des AcMo libres (E «non spécifique») Dégradation par phagocytose des AcMo liés (E «spécifique») Demi-vie d élimination très longue (14-21j) Augmentation de la clairance (donc t 1/2 ) en cas d immunisation avec risque de sous-exposition et d inefficacité thérapeutique

21 Ce qu il faut retenir, mots-clés Mots-clés Structure générale d un AcMo Chaînes légères, lourdes, Fc, Fab, CDR, notions d épitope, paratope AcMo chimérique, humanisé, humain Structures utilisées en médecine humaine : IgG complet, Fab, F(ab )2, protéine de fusion Différence entre un anticorps polyclonal et monoclonal Principales caractéristiques PK des AcMo Forte variabilité interindividuelle de la PK Rôles du FcRn : absorption, distribution tissulaire, recyclage des AcMo assurant leur très longue demi-vie, passage transplacentaire Caractère immunogène production possible d anticorps anti-médicament qui augmentent la vitesse d élimination et peuvent provoquer des sous-expositions au traitement Résumé des caractéristiques ADME

22 Pour ceux qui souhaitent approfondir Diapos du cours complet

23 Pharmacocinétique : variabilité interindividuelle La PK des AcMo est sujette à une forte variabilité interindividuelle pour injection d une même dose chez n individus, on obtient des concentrations très différentes Nombreuses sources de variabilité Physiologiques : poids, sexe Pathologiques : masse tumorale, vascularisation tumorale, activité de la maladie, exsudation Liés à l AcMo : immunogénicité Liés aux traitements concomitants : chimiothérapie facilite l accès à la tumeur immunosuppresseurs limitent la formation d anticorps anti-acmo La compréhension de ces sources de variabilité devrait permettre d adapter les doses aux caractéristiques des patients

24 Pharmacocinétique : variabilité interindividuelle Caractéristiques individuelles permettent d expliquer une partie de la variabilité... malgré tout, il subsiste des différences notables entre les patients Ternant 2015, Adedigbo 2009

25 Pharmacocinétique : variabilité interindividuelle Exemple de l infliximab dans la maladie de Crohn Buurman 2015

26 Pharmacocinétique : ADME Absorption : très lente par voie SC Utilisation en IV N/A Utilisation en SC (stylos) : absorption lente avec pic de concentration faible et retardé Distribution : relativement faible Volume central volume plasmatique Volume périphérique 2-6 L environ faible distribution, limitée par leur haut poids moléculaire, distribution dans les tissus par transcytose Pas de passage de la BHE (ou très faible), passage de la barrière placentaire : dépend de l isotype (IgG +++) Elimination : très lente Métabolisme : Pas de métabolisme à proprement parler pas de biotransformation en métabolite Dégradation lysosomale Excrétion Spécifique phagocytose du complexe immun (AcMo lié à sa cible ou AcMo lié à un anticorps anti-acmo) Non spécifique pinocytose et fusion aux lysosomes (circuit de recyclage des Ig endogènes) Pas d excrétion à proprement parler : pas (peu) d élimination dans les urines ou les selles Indépendance des fonctions rénale et hépatique dégradation lysosomale endothéliale Demi-vie d élimination très longue (2 à 3 semaines en moyenne), due au recyclage des Ig : rôle du FcRn

27 Pharmacocinétique : rôle du FcRn FcRn : l un des récepteurs au fragment Fc des immunoglobulines Structure identique au CMH, avec une chaîne lourde transmembranaire liée de façon non covalente à une b2 microglobuline Récepteur néonatal au fragment Fc responsable de la transcytose des IgG à travers le placenta de la mère à l enfant (Brambell, 1964) Distribué à la surface des cellules endothéliales dans divers tissus (foie, rein, rate, tractus GI, système lymphatique, placenta) Bruhns 2012

28 Pharmacocinétique : rôle du FcRn Une fois liée au FcRn, un anticorps a 3 devenirs possibles : transcytose (1) : permet la distribution des anticorps endogènes et des AcMo thérapeutiques recyclage (2) : retour dans la circulation, responsable de la longue demi-vie des Ac endogènes et des AcMo. Pas de Fc pas de liaison au FcRn demi-vie courte (protéines de fusion, fragments Fab et F(ab )2) dégradation non spécifique (3) des anticorps en excès non liés au FcRn (2) Recyclage Affinité de liaison au FcRn dépend du ph (max à ph=6, faible à ph=7.4) Dégradation (3) Transcytose (1)

29 Traffic cellulaire des anticorps Pinocytose passive à partir de la circulation Peu de FcRn exprimé en surface cellulaire ph peu favorable à la liaison au FcRn (7,4) Concentration en IgG suffisante pour le phénomène passif de pinocytose Formation d un endosome précoce Acidification progressive de l endosome ph = 6 Favorise la fixation de l IgG au FcRn et sa protection contre la dégradation lysosomale Tri des endosomes Endosome tardif dégradation des IgG Endosome de recyclage libération dans la circulation Endosome de transit transcytose et libération dans les tissus (immunité passive de l enfant ; résorption des AcMo par voie SC) Rôle majeur du FcRn dans le recyclage des IgG Permet une demi-vie d élimination longue # 21 j Concerne également les IgG monoclonales médicamenteuses Compétition entre les IgG endogènes et les AcMo

30 Pharmacocinétique : élimination Elimination bi-exponentielle Demi-vie dépend de la structure : pas de Fc pas de recyclage via le FcRn IgG complètes 21j (humains et humanisés), 14j (chimériques) Protéines de fusion : demi-vie courte (étanercept = 3j, abatacept = 13j) Fragments Fab, F(ab )2 : demi-vie courte mais peu évaluée (ranibizumab : administration intra-vitréenne, t1/2 sérique évaluée à 9j, abciximab : liaison rapide au GP2b/3a, antidotes: liaison rapide à la cible => élimination TMDD rapide) Elimination complexe résultant de l intrication de plusieurs phénomènes Elimination médiée par la cible (TMDD), dite «élimination spécifique» Catabolisme et recyclage des IgG : élimination non spécifique Influence des anticorps induits (anticorps anti-médicament) Cas des MICI : exsudation colique Cas des cancers : séquestration tumorale Influence de la masse antigénique

31 Pharmacocinétique : élimination spécifique Elimination spécifique et clairance variant au cours du temps Formation de complexes immuns rapidement dégradés par les phagocytes Elimination plus rapide quand la masse antigénique est plus importante Mais aussi élimination «saturable» car dépend de la quantité de cible et de sa vitesse de production / libération dans la circulation / expression à la surface cellulaire Elimination de l AcMo en périphérie? Séquestration par les antigènes-cibles tissulaires? Production de la cible antigénique : - Ordre 0? - Feedback positif ou négatif? - Evolution au cours de la maladie / guérison / échappement? Elimination non spécifique - Catabolisme protéique - Exsudation, immunisation - Constante? (guérison des lésions, activité catabolique, compétition IgG) Azzopardi 2011 Elimination de l Ag : - Ordre 0 ou 1? - Constante? (Guérison, stimulation de l immunité, saturabilité?) Elimination une fois lié à l Ag : F par PNN et macrophages Saturable? Activable? - Devenir des AcMo mono-liés?

32 Pharmacocinétique : élimination nonlinéaire PK dite «non-linéaire» lorsque la vitesse d élimina-tion n est pas proportionnelle à la concentration plasmatique Elimination plus rapide à concentration faible Dépend de l équilibre entre la concentration de l AcMo et la concentration de sa cible Permet de déterminer les doses à administrer (dose suffisante pour ne pas avoir de non-linéarité) Permet de déterminer les intervalles d injection (suffisamment court pour ne pas avoir de non-linéarité) Azzopardi 2011

33 Pharmacocinétique : rôle de l immunisation Les anticorps thérapeutiques sont des protéines, ce sont des antigènes Portent de nombreux épitopes (déterminants antigéniques permettant la classification des isotypes, allotypes et idiotypes) qui sont fortement immunogènes Ces épitopes, s ils n appartiennent pas au soi, sont reconnus comme n importe quel autre antigène étranger risque d immunisation contre les anticorps thérapeutiques En cas d immunisation, production d anticorps anti-anticorps thérapeutique = ADA (Anti-Drug Antibody) ou HACA (Human Anti-Chimeric Antibody) Immunisation possible contre toutes les parties non-humaines de l anticorps et contre le CDR (par définition, étranger au soi) Immunogénicité dépend : Du nombre d épitopes exogènes disponibles : chimériques > humanisés > humains De la dose, de la physiopathologie et de l activité de la maladie Cancers : peu (pas?) d immunisations car patients souvent immunodéprimés et doses très importantes limitant l immunisation et ses conséquences Maladies inflammatoires : immunisations fréquentes, car composante immunitaire ou auto-immune importante

34 Pharmacocinétique : rôle de l immunisation Immunisations plus fréquentes : Avec les anticorps chimériques Chez les patients sous-exposés Chez les patients à terrain atopique / ayant fait des réactions à l injection / développant des Ac lupiques (AAN, anti-adn) / avec MAI Lorsque l activité de la maladie est plus importante (maladies inflammatoires) À la réintroduction de l AcMo suite à un arrêt «trop court» («sensibilisation») Ac induits dirigés contre le médicament : Augmentent la clairance de l AcMo (élimination du complexe immun) Peuvent neutraliser son action si dirigés contre le CDR et/ou par encombrement Les ADA sont un facteur de risque de sous-exposition et d effets indésirables, et peuvent être marqueurs de l activité immunologique de la maladie Brandse 2015

35 CDAI/100 (µg/ml) CDAI/100 (µg/ml) Pharmacocinétique : rôle de l immunisation Caractère transitoire des ADA Influence variable selon le titre, la cible et l avidité Influence des IMM sur la production des ADA Augmentation de clairance peut être transitoire ou durable, plus ou moins soutenue Thiopurine Thiopurine Thiopurine Thiopurine adalimumab Ac anti-adalimumab CDAI Vande Casteele 2015, ECCO 2016

36 Pharmacocinétique : exsudation colique Cas des MICI : perte possible d AcMo lorsque les lésions coliques sont importantes (RCH +++) Concentrations fécales corrélées à la sévérité des lésions Concentrations max 1 jours après la perfusion Responsable d une diminution des concentrations Influence sur la réponse reste encore à évaluer mais semble exister Concentrations fécales importantes associées à une moins bonne réponse Probablement critère composite (lésions importantes maladie sévère & sous-exposition chez des patients requérant pourtant des doses élevées vu la sévérité de la maladie) Brandse 2015

37 Pharmacocinétique : séquestration tumorale Masse tumorale (et donc antigénique) et avancement du cancer semblent influencer la PK Distribution périphérique plus importante dans les K avancés et métastatiques Demi-vie d élimination plus longue dans les K avancés et métastatiques séquestration tumorale de l AcMo? Lien avec la vascularisation tumorale, les modifications de pression osmotique et de perméabilité capillaire, les antigènes-cibles des cellules cancéreuses? Demi-vie et volume périphérique augmentent avec la masse tumorale séquestration de l AcMo? Petitcollin (manuscript)

38 Pharmacocinétique : rôle de la masse antigénique Phénomène visible en début de traitement Grande quantité de cible antigénique disponible décalage de l équilibre vers la formation de complexe immun qui sera dégradé par phagocytose Augmentation progressive de la demi-vie en cours de traitement suite à la diminution de la quantité de cible disponible (+/- de sa vitesse de production suite à la guérison) Ex. des maladies inflammatoires : plus l inflammation est importante, plus la clairance l est masse antigénique importante associée à une clairance plus élevée Ternant 2014