Elucidating the potential of IgA antibodies for cancer immunotherapy

Abstract

In humans, IgA antibody production exceeds production of all other isotypes combined which highlights the importance of this isotype. However, approved cancer immunotherapeutics are restricted to IgG isotype antibodies. In order to improve the functional diversity of antibodies for cancer therapy, the potential of IgA isotype antibodies was elucidated. IgA antibodies mediate inflammatory responses through interaction with IgA receptors on the surface of immune effector cells like granulocytes and macrophages. Cellular activation results in the release of cytotoxic agents or phagocytosis of opsonized cells. Granulocytes represent the most numerous cell population in human blood and, like macrophages, are found within the tumor microenvironment. Thus, recruitment and activation of these effector cells represents a promising strategy for cancer immunotherapy. Both IgA1 and IgA2 antibodies were expressed in human cell lines and multimerization was successfully enhanced by co-expression of the joining chain. High yields of IgA antibodies were achieved and 11 g IgA2 were produced by cultivation within 35 days in a one-liter perfusion bioreactor. Kinetic analysis revealed increased avidity antigen binding for IgA2J dimers as compared to monomeric IgA2 or IgG antibodies. An IgG-IgA mixed-isotype construct was generated to increased valence and allow interaction with both, IgG and IgA specific receptors. IgA antibodies exhibited potent effector functions against cancer cell lines. IgA and IgG antibodies were comparable in Fab-mediated inhibition of target cell proliferation. IgA antibodies were effective in Fc-mediated antibody-dependent cellular cytotoxicity and phagocytosis where IgA2 antibodies were more potent than IgA1 in recruiting granulocytes against target cells. Activities of IgA and IgG antibodies in Fc-mediated effector functions differed depending on target and effector cells. This indicates that both, antigen density and antibody receptor expression on the surface of effector cells affect the potential of each isotype. The IgA antibody targeting CD20 was potent in B cell depletion. Together, biofunctionality for the analyzed IgA antibodies directed against a heterogeneous group of targets for solid and hematological cancer indications was successfully shown. For patients who do not sufficiently benefit form therapeutic IgG antibodies, IgA antibodies may complement current regiment options and represent a promising strategy for cancer immunotherapy.

Der humane Organismus produziert vom IgA Isotyp mehr als von allen anderen Isotypen zusammen, was die Bedeutung von IgA Antikörpern unterstreicht. Dennoch sind alle bislang zugelassenen Antikörper ausschließlich vom IgG Isotyp. Um die Diversität und Funktionalität von Antikörpern zur Krebstherapie zu erhöhen, wurde hier das Potential von IgA Antikörpern untersucht. IgA Antikörper können durch die Interaktion mit IgA-Rezeptoren, die auf der Oberfläche von Immun-Effektorzellen wie Granulozyten und Makrophagen lokalisiert sind, inflammatorische Reaktionen auslösen. Die zelluläre Aktivierung führt zur Ausschüttung von zytotoxischen Substanzen oder Phagozytose von opsonierten Zellen. Granulozyten repräsentieren die zahlreichste Zellpopulation im Blut und sind genau wie Makrophagen in der Tumormikroumgebung zu finden. Die Rekrutierung und Aktivierung dieser Zellpopulationen ist daher eine vielversprechende Strategie für die Krebstherapie. IgA1 und IgA2 Antikörper wurden mit einer humanen Zelllinie exprimiert und mittels Co-Expression der J-Kette wurde die Multimerisierung erfolgreich gesteigert. Für alle IgA Antikörper wurden hohe Ausbeuten erzielt und innerhalb einer 35-tägigen Kultivierung im ein Liter Perfusionsbioreaktor konnten 11 g IgA produziert werden. In kinetische Analysen wurde gezeigt, dass IgA2J Dimere ihr Antigen mit höherer Avidität binden als IgA2 oder IgG Monomere. Ein Mix-Isotyp-Antikörperkonstrukt aus IgG und IgA wurde generiert, um erhöhte Valenz und Bindung von IgG- und IgA-Rezeptoren zu ermöglichen. Alle IgA Antikörper zeigten potente Effektorfunktionen gegen Krebszelllinien. Die Fab-vermittelte Inhibition der Zielzellproliferation war zwischen IgA und IgG Antikörpern vergleichbar. Die IgA Antikörper waren effektiv in Fc-vermittelter Antikörper-abhängiger zellulärer Zytotoxizität und Phagozytose, wobei IgA2 effektiver Granulozyten gegen Zielzellen rekrutierten als IgA1. Die Aktivitäten der IgA und IgG Antikörper bei Fc-vermittelten Effektorfunktionen unterschied sich abhängig von Effektor- und Zielzellen. Sowohl die Antigenexpression auf der Oberfläche von Ziel-, als auch die Antikörper- Rezeptor-Expression auf der Oberfläche von Effektorzellen beeinflussten die Aktivtäten beider Isotypen. Der gegen CD20 gerichtete IgA Antikörper konnte effektiv B-Zellen depletieren. Zusammenfassend konnte die Biofunktionalität von fünf IgA Antikörpern, die gegen eine heterogene Gruppe von Targets für solide und hämatologische Krebsindikationen gerichtet sind, erfolgreich gezeigt werden. Für Patienten, die von einer Therapie mit IgG Antikörpern nicht ausreichend profitieren, könnten IgA Antikörper vorhandene Behandlungsmöglichkeiten komplementieren und somit eine vielversprechende Strategie zur Krebstherapie darstellen.