Hoe een antilichaam zijn doelwit ‘herbouwt’: waarom sommige anti-CD20’s een beroep doen op complement, terwijl andere direct doden

Wetenschappers hebben gevisualiseerd wat er precies gebeurt met de CD20-receptor op B-cellen wanneer therapeutische antilichamen (rituximab, obinutazumab, enz.) zich eraan hechten. Met behulp van een nieuwe versie van RESI-superresolutiemicroscopie zagen ze dit in levende cellen op het niveau van individuele eiwitten en koppelden ze het patroon van nanoclusters aan verschillende werkingsmechanismen van het geneesmiddel. Het resultaat: "type I"-antilichamen (bijv. rituximab, ofatumumab) assembleren CD20 tot lange ketens en superstructuren – dit "plant" het complement beter. "Type II"-antilichamen (bijv. obinutazumab) zijn beperkt tot kleine oligomeren (tot tetrameren) en zorgen voor een sterkere directe cytotoxiciteit en afbraak via effectorcellen. Het werk werd gepubliceerd in Nature Communications.

Achtergrond van de studie

• Waarom CD20? Anti-CD20-antilichamen zijn de belangrijkste hulpstoffen bij de behandeling van B-cellymfomen/leukemieën en sommige auto-immuunziekten. Er zijn verschillende medicijnen op de markt, maar deze gedragen zich verschillend in de cel en hebben verschillende klinische profielen.
• Twee mechanistische kampen. Conventioneel zijn er antilichamen van type I (rituximab, ofatumumab) en type II (obinutazumab, enz.). De eerste omvatten vaker complement (CDC), de laatste zorgen vaker voor directe celdood en -doding via effectorcellen (ADCC/ADCP). Dit is al lang bekend uit biochemie en functionele testen, maar waarom dit precies zo is op nanometerniveau was onduidelijk.
• Wat ontbrak er in de voorgaande methoden?
  • Klassieke immunofluorescentie en zelfs veel superoplossende benaderingen zien geen “enkele molecule” in een levend membraan wanneer de doelen dicht opeengepakt en dynamisch zijn.
  • Cryo-EM levert verbluffende details op, maar meestal buiten de context van een complete levende cel.
    Daardoor moest de "geometrie" van CD20 onder het antilichaam (welke clusters, ketens, groottes) worden geraden op basis van indirecte gegevens.
• Waarom geometrie belangrijk is. Complement wordt "aangezet" wanneer C1q gelijktijdig correct gepositioneerde Fc-domeinen vastlegt – het is letterlijk een kwestie van afstanden en hoeken. Evenzo hangt de efficiëntie van ADCC/ADCP af van hoe het antilichaam zijn Fc blootstelt aan effectorcelreceptoren. Nanoarchitectuur van CD20+-antilichaam = sleutel tot functie.
• Wat was het doel van de auteurs? In levende cellen (in situ) laten zien wat verschillende anti-CD20's precies met CD20 doen: welke oligomeren en superstructuren ontstaan, hoe dit verband houdt met de incorporatie en vernietiging van complementen, en of het mogelijk is de mechanismen te sturen via antilichaamontwerp (bindingshoeken, scharnieren, valentie, bispecifieke antilichamen).
• Waarom is dit in de praktijk nodig?
  • Next-generation design: leren hoe je de ‘hendels’ van een structuur kunt ‘aanpassen’ om het gewenste werkingsmechanisme te verkrijgen voor een specifieke klinische taak of tumorcontext.
  • Betekenisvolle combinaties: begrijp waar een ‘aanvullend’ medicijn geschikter is, en waar een ‘directe moordenaar’ geschikter is.
  • Kwaliteitscontrole/biosimilars: hebben een fysieke ‘vingerafdruk’ van correcte clustering als biomarker van equivalentie.

Kortom: therapeutische antilichamen werken niet alleen "volgens het recept van het mechanisme", maar ook volgens de geometrie die de targets op het membraan aanbrengen. Vóór dit werk hadden we geen instrument om deze geometrie in een levende cel met de nauwkeurigheid van individuele moleculen te zien - dit is het gat dat de auteurs dichten.

Waarom was dit nodig?

Anti-CD20-antilichamen vormen de basis van de therapie voor B-cellymfomen en leukemieën, en een manier om B-cellen bij sommige auto-immuunziekten "uit te schakelen". We wisten dat "type I" en "type II" verschillend werken (complement versus directe doding), maar hoe dit verschil er op nanometerniveau in het celmembraan uitziet, was onduidelijk. Klassieke methoden (cryo-EM, STORM, PALM) in levende cellen bereikten niet de resolutie van "één eiwit" precies voor dichte, dynamische complexen. RESI doet dit wel.

Wat hebben ze gedaan?

• We gebruikten multi-target 3D-RESI (Resolution Enhancement by Sequential Imaging) en DNA-PAINT-labeling om CD20 en de bijbehorende antilichamen gelijktijdig te markeren in het membraan van hele cellen. Resolutie is het niveau van individuele moleculen in een in-situ-context.
• We hebben type I (rituximab, ofatumumab, etc.) en type II (obinutazumab; en ook kloon H299) vergeleken en kwantitatief geanalyseerd welke CD20-oligomeren ze vormen: dimeren, trimeren, tetrameren en hoger.
• We testten de relatie tussen het 'patroon' en de functie: we maten complementbinding, directe cytotoxiciteit en afsterving via effectorcellen. We speelden ook met de geometrie van de antilichamen (bijvoorbeeld: het omdraaien van de Fab-armen in CD20×CD3 T-cel-engager) om te begrijpen hoe de flexibiliteit/oriëntatie van het scharnier de functie tussen type I en II verschuift.

De belangrijkste bevindingen in eenvoudige woorden

• Type I maakt ketens en "platforms" van CD20 — ten minste hexameren en langer; dit is een geometrie die geschikt is voor C1q, dus complement is beter in te sluiten. Voorbeeld: rituximab, ofatumumab.
• Type II is beperkt tot kleine assemblages (meestal tot tetrameren), maar heeft een hogere directe cytotoxiciteit en een krachtigere dodende werking via effectorcellen. Voorbeeld: obinutazumab.
• Geometrie is belangrijk. Verander de flexibiliteit/oriëntatie van de Fab-armen van het bispecifieke CD20xCD3-antilichaam en het gedrag verschuift van 'type II' naar 'type I': CD20-clustering ↑ en directe cytotoxiciteit ↓ – een duidelijke structuur-functierelatie.

Waarom is dit belangrijk voor therapie?

• Ontwerp van de volgende generatie: het is nu mogelijk om antilichamen specifiek te ontwerpen voor een gewenst mechanisme (meer complement of meer directe doding) door de bindingshoeken, scharnieren en valentie aan te passen om de gewenste CD20-nanoarchitectuur te bereiken.
• Personalisatie en combinaties. Als de "complement"-route beter werkt bij een bepaalde tumor, is het de moeite waard om te kiezen voor "type I" (of antilichamen/bispecifieke antilichamen die lange CD20-ketens opbouwen). Als directe dood belangrijker is, kies dan voor "type II" en verbeter dit met effectorpaden.
• Kwaliteitscontrole en biosimilars. RESI biedt een effectieve geometrische test: een model kan worden getraind om de 'signatuur' van de juiste CD20-oligomeren te herkennen en kan worden gebruikt als biofysische controle bij de ontwikkeling van biosimilars.

Een beetje mechanica (voor de geïnteresseerden)

• Volgens cryo-EM en nieuwe beelden bindt type I (bijv. rituximab) zich onder een geringe hoek aan CD20, overbrugt CD20-dimeren en vormt zo ketens met platformen voor C1q; ofatumumab doet iets soortgelijks, maar met een kleinere stap in de keten en "plant" complementeert nog stabieler. Type II (obinutazumab) heeft een steilere hoek en een andere stoichiometrie (1 Fab op 2 CD20), waardoor het in de trimeer-tetrameerzone blijft.

Beperkingen en wat nu?

• Dit zijn celmodellen met zorgvuldig gecontroleerde omstandigheden. De volgende stap is het bevestigen van belangrijke CD20-clusterpatronen in primaire tumormonsters en deze te correleren met de klinische respons.
• RESI is een complexe techniek, maar het team benadrukt de veelzijdigheid ervan: het kan elk membraandoelwit en de bijbehorende antilichamen in kaart brengen – van EGFR/HER2 tot PD-L1 – en ook nano-architectuur aan functie koppelen.

Conclusie

Antilichamen werken niet alleen "volgens het recept van het mechanisme", maar ook volgens de geometrie die ze opleggen aan de receptor in het membraan. Het is mogelijk geworden om deze geometrie te zien - en dit opent de weg naar een preciezer ontwerp van immunopreparaten, waarbij het gewenste klinische effect op nanometerniveau wordt bepaald.

Onderzoeksbron: Pachmayr I. et al. Oplossen van de structurele basis van therapeutische antilichaamfunctie bij kankerimmunotherapie met RESI. Nature Communications, 23 juli 2025. doi.org/10.1038/s41467-025-61893-w