Antistoffen zijn onmisbaar in biologisch onderzoek en medische diagnostiek. Echter, hun productie is tijdrovend, duur, en vereist het gebruik van veel dieren. Wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Biofysische Chemie in Göttingen, Duitsland, hebben nu zogenaamde secundaire nanobodies ontwikkeld die de meest gebruikte antilichamen kunnen vervangen en het aantal dieren in de productie van antilichamen drastisch kunnen verminderen. Dit is mogelijk omdat de secundaire nanobodies op grote schaal door bacteriën kunnen worden geproduceerd. Bovendien, de secundaire nanobodies presteren beter dan hun traditionele antilichaam-tegenhangers in belangrijke celbiologische toepassingen.

Als een centraal onderdeel van ons immuunsysteem, antilichamen beschermen ons mensen en andere gewervelde dieren tegen ziekteverwekkers. Zij zijn, echter, ook essentiële instrumenten in de medische diagnostiek, therapie, en fundamenteel onderzoek - bijvoorbeeld in fluorescentiemicroscopie. Wanneer onderzoekers een bepaald eiwit in een cel willen bestuderen, ze kunnen het selectief markeren met antilichamen die tegen dit eiwit zijn gericht. Zodra deze zogenaamde primaire antilichamen hun doelwit hebben gebonden, secundaire antilichamen worden toegepast. Deze binden de primaire antilichamen, dragen fluorescerende kleurstoffen die oplichten onder de microscoop, en zo het gewenste eiwit zichtbaar te maken.

De grote verscheidenheid aan primaire antilichamen wordt traditioneel geproduceerd in kleine zoogdieren zoals konijnen en muizen:de dieren worden geïmmuniseerd met het gezuiverde eiwit - dit is vergelijkbaar met het vaccineren van mensen. Als resultaat, het immuunsysteem van de dieren vormt antistoffen tegen het eiwit. De antilichamen worden uiteindelijk verzameld uit het bloed van de dieren, en verwerkt. Aangezien antilichamen door duizenden laboratoria over de hele wereld worden gebruikt en omdat de meeste van hun toepassingen afhankelijk zijn van secundaire antilichamen, de laatste zijn enorm in trek. Daarom, de productie van secundaire antilichamen vereist niet alleen veel, maar ook grote dieren zoals ezels, geiten, of schapen. Dit stelt een ethisch probleem.

Secundaire nanobodies kunnen in bacteriën worden geproduceerd

Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Biofysische Chemie presenteren nu een duurzaam alternatief dat secundaire antilichamen tegen primaire antilichamen van muizen of konijnen kan vervangen. Het is gebaseerd op zogenaamde nanobodies en kan het aantal dieren dat wordt gebruikt voor de productie van antilichamen drastisch verminderen. Nanobodies zijn fragmenten van speciale antilichamen van kamelen en verwante soorten zoals alpaca's. "We hebben secundaire nanobodies ontwikkeld die niet alleen heel goed presteren, maar ook, ze kunnen microbiologisch op elke schaal worden geproduceerd - net als bier in een vergister, " legt Dirk Görlich uit, Directeur bij het Max Planck Instituut in Göttingen en hoofd van het project.

"Secundaire antilichamen moeten voldoen aan extreem strenge kwaliteitseisen en mogen alleen primaire antilichamen van een enkele soort detecteren en geen structuren in de geanalyseerde cellen of medische monsters. het probleem was om bouwplannen te krijgen voor echt perfecte secundaire nanobodies. We zijn begonnen met een groot aantal varianten die we uit een kleine hoeveelheid bloed van twee geïmmuniseerde alpaca's hebben gehaald. Door zogenaamde faagweergave, we hebben vervolgens de beste varianten eruit gevist en uiteindelijk gebruikt om bacteriën te programmeren voor de productie van nanobody's, " verduidelijkt Tino Pleiner, eerste auteur van het werk.

Nanobodies werden voor het eerst beschreven in 1993 door een Belgische baanbrekende groep wetenschappers. Vanaf dat moment, onderzoekers proberen er misbruik van te maken voor hun werk in het lab. Echter, secundaire antilichamen vervangen door nanobodies bleek helemaal niet triviaal. Een van de redenen is de grootte van de nanobodies:ze zijn tien keer kleiner dan normale antilichamen. Daarom, ze bieden veel minder ruimte voor het koppelen van fluorescerende moleculen en lijken dus veel zwakker in de microscoop dan conventionele antilichamen.

"Inderdaad, onze eerste experimenten met secundaire nanobodies waren nogal teleurstellend en produceerden alleen donkere en lawaaierige beelden. Echter, we gaven niet op, en de twee alpaca's opnieuw geïmmuniseerd om hun immuunsysteem te stimuleren om de oorspronkelijke nanobodies te verbeteren. Verdere evolutie in de reageerbuis, een speciale koppelingsstrategie voor de fluorescerende kleurstoffen, en het combineren van twee of meer compatibele nanobodies deed de rest, " Görlich vertelt over de aanvankelijke moeilijkheden. Inmiddels is de nanobodies komen op zijn minst overeen met conventionele antilichamen in termen van signaalsterkte.

Verbeterde resolutie in lichtmicroscopie

Nanobodies hebben duidelijke voordelen ten opzichte van secundaire antilichamen. "Super-resolutie fluorescentiemicroscopie, bijvoorbeeld, kan cellulaire structuren optisch oplossen in het bereik van enkele nanometers. Echter, dergelijke beelden worden wazig wanneer primaire en secundaire antilichamen worden gebruikt die elk al 15 nanometer meten. Het gebruik van nanobodies met een grootte van slechts drie nanometer verbetert inderdaad de resolutie, ' zegt Pleiner.

"We hebben de secundaire nanobodies getest in andere toepassingen dan microscopie, en de resultaten zijn veelbelovend, " benadrukt Görlich. Vooral de nieuwe productieroute in bacteriën vergemakkelijkt hun modificatie en fusie met andere reporter-eiwitten, bijvoorbeeld enzymen. "We verwachten dat onze nanobodies in veel toepassingen conventionele secundaire antilichamen van ezels zullen vervangen, geiten, of schapen."