Mechanical forces in the binding of single domain antibodies developed for therapeutics : from molecular to cellular response

par Cristina Gonzalez Gutierrez

Thèse de doctorat en Biophysique

Sous la direction de Laurent Limozin et de Philippe Robert.

Soutenue le 17-12-2018

à Aix-Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille) , en partenariat avec Laboratoire Adhésion et Inflammmation (laboratoire) .

Le président du jury était Jacques Nunès.

Le jury était composé de Florence Velge-Roussel, Patrick Chames.

Les rapporteurs étaient Julien Husson, Francesco Piazza.

  • Titre traduit

    Forces mécaniques dans la liaison des anticorps à domaine unique développés pour la thérapeutique : réponse moléculaire et cellulaire


  • Résumé

    Les anticorps thérapeutiques sont couramment utilisés pour le traitement contre le cancer. Ils sont sélectionnées par leur affinité avec leur antigène mesuré normalement dans un environnent à trois dimensions (3D). Cependant, de fois les interactions anticorps-antigène ont lieu à l’interface entre deux cellules (i.e. 2D). Nous faisons l’hypothèse que les contraintes physiques à cette l’interface telles que la force et le mouvement relatif des molécules confinées aux surfaces modulent les propriétés de la liaison anticorps-antigène. Notre but est d’explorer les liens entre la mécanique de la liaison et la réponse cellulaire. Pour quantifier la cinétique 2D et la mécanique de ces interactions, nous avons effectué des mesures en utilisant la chambre à flux laminaire des deux anticorps à domaine unique (sdAbs) ciblant le récepteur CD16 exprimé dans la cellule Natural Killer (NK) et cinq sdAbs ciblant le marqueur tumoral HER-2 exprimé dans certains cancers. Nos résultats montrent des liaisons glissantes, idéales et pour la première fois, une liaison accrocheuse dans des interactions anticorps-antigène. Des expériences d’adhésion cellulaire montrent une corrélation entre la résistance à la force de la liaison accrocheuse et une meilleure adhésion des NK. Des sdAbs ont été sélectionnés pour constituer des anticorps bi-specifiques (bsAbs) capables de recruter des NK contre des cellules cancéreuses HER-2+. Ces bsAbs induisent une cytotoxicité supérieur a celle de l’anticorps de référence. Leur efficacité est modulée par la mécanique du coté antiCD16 du bsAbs en fonction de la nature de la cellule cancéreuse, suggérant un rôle de la force pour les faibles densités de HER-2.


  • Résumé

    Therapeutic antibodies have become a major treatment in cancer due in part to their ability to recruit immune cells onto tumours. They are selected on the basis of their affinity for their antigen in a three dimensions (3D) environment. However, in some major modes of action, antibodies do bind the antigen at the interface between immune cells and target cells. We hypothesize that the physical constraints of cell-cell interface (i.e. 2D), including force and relative motion of molecules confined at surfaces, modulate the antigen-antibody binding. Specifically, we aim at exploring the links between bond mechanics and cellular response. To quantify 2D kinetics and mechanics, we perform measurements using the laminar flow chamber of two Single Domains Antibodies (sdAbs) against the surface receptor CD16 expressed in Natural Killer (NK) cells and five sdAbs against the tumoral marker HER-2 expressed in some breast cancers. Our results show three different bond dissociation behaviour under force; slip, ideal and for the first time, a catch bond. Cell adhesion experiments over sdAb antiCD16 coated surfaces reveal a correlation between antibody resistance to force and a larger spreading of NK cells. Based on their force behaviour, some sdAbs were selected to be fused forming bi-specific antibodies (bsAbs) able to recruit NK cells toward HER-2+ cancer cells. All new bsAbs display a better efficacy in cytotoxicity than the reference therapeutic antibody. We show that their efficacy is modulated by the mechanical behaviour of the antiCD16 side, depending on the nature of the target cell line, which may hint to an effect of force dependence in the limit of low antigen coverage.

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