Ces anticorps venus des chameaux et des requins qui sont en train de bouleverser la médecine

Tous les quatre mois, le pathologiste Aaron LeBeau ramasse dans un filet l'un des cinq requins nourrices qu'il garde dans son laboratoire de l'Université du Wisconsin. Ensuite, il administre soigneusement une piqûre à l'animal, un peu comme un pédiatre vaccinant un enfant. Le vaccin immunisera le requin contre un cancer humain, peut-être, ou une maladie infectieuse, comme le Covid-19. Quelques semaines plus tard, après que le système immunitaire de l'animal ait eu le temps de réagir, LeBeau recueille une petite fiole de sang de requin.

À l'autre bout du pays, l'immunologiste Hidde Ploegh passe par les mêmes étapes, mais avec des alpagas qui vivent dans une ferme de l'ouest du Massachusetts. Les scientifiques recherchent la même chose : de minuscules anticorps, fabriqués uniquement par certains animaux, qui peuvent avoir de grandes implications pour la santé humaine.

La plupart des anticorps – ces molécules qui parcourent notre sang et nos tissus à la recherche d'agents pathogènes – sont assez lourds au fur et à mesure que les protéines disparaissent. Mais les anticorps fabriqués par les chameaux et les requins et leurs proches parents sont plus simples et plus petits. Depuis leur découverte à la fin des années 1980, les chercheurs ont appris que ces anticorps sont très efficaces : ils peuvent s'accrocher aux parties cachées des molécules et peuvent pénétrer plus profondément dans les tissus, renforçant ainsi leur potentiel thérapeutique

"Ils peuvent pénétrer dans de petits coins et recoins de différentes protéines auxquelles les anticorps humains ne peuvent pas accéder", explique LeBeau.

Au cours des dernières décennies, les enquêtes sur ces anticorps minuscules ont augmenté. Non seulement ils peuvent se faufiler dans de petits endroits, mais ils sont également faciles à travailler – plus robustes que leurs homologues ordinaires – et relativement bon marché à fabriquer en grande quantité. Toutes ces caractéristiques font des anticorps des traitements prometteurs pour une foule de maladies, qu'il s'agisse de troubles de la coagulation ou de Covid-19. Les chercheurs explorent également leur utilisation pour diagnostiquer des conditions telles que le cancer, et ils deviennent un outil clé dans d'autres types de recherche, comme la cartographie de l'intérieur des cellules.

La pleine promesse de ces anticorps peut encore prendre des années à se réaliser, mais les chercheurs sont très enthousiasmés par leurs possibilités. "Je pense qu'ils ont le potentiel de sauver le monde", déclare LeBeau.

Chance de la prise de sang

Un groupe d'étudiants en biologie a été le premier à découvrir ces anticorps inhabituels - tout à fait par hasard - en 1989. Les étudiants de l'Université libre de Bruxelles avaient besoin de sang pour un examen au cours duquel ils devaient séparer un anticorps en ses deux parties principales : deux chaînes de protéines lourdes, qui forment une forme de Y, et deux chaînes de protéines légères, qui flanquent les dents au sommet du Y. 

Le sang humain semblait trop risqué pour travailler, étant donné les inquiétudes à l'époque concernant une exposition potentielle au VIH, et les étudiants ne voulaient pas tuer une souris. Mais le professeur des étudiants, feu Raymond Hamers, étudiait la maladie du sommeil chez les grands animaux. Il a donné aux étudiants du sang de chameau, raconte l'immunologue Serge Muyldermans, qui était alors chercheur post-doctoral à l'université.

Étrangement, les étudiants n'ont trouvé que des chaînes lourdes dans le sang alors que les anticorps étaient censés avoir également des chaînes légères. Comme le raconte Muyldermans, tout le monde pensait que les anticorps de chameau s'étaient dégradés - ou que les étudiants avaient fait quelque chose de mal - alors Hamers est allé au zoo d'Anvers pour recueillir du sang de chameau frais. Mais les étudiants n'avaient pas foiré : les chameaux fabriquent des anticorps avec uniquement des chaînes de protéines lourdes.

Les applications potentielles des petits anticorps des camélidés sont apparues à Hamers au cours de ces premières années, explique Muyldermans, qui détaille leurs innombrables utilisations dans la revue annuelle 2021 des biosciences animales. Comme les anticorps de personnes ou de souris, les anticorps de camélidés pourraient être réduits en fragments encore plus petits, mais toujours efficaces - juste les pointes du Y. Ces fragments, appelés domaines variables, sont la fin commerciale de tout anticorps - ils agissent comme le "capteur" de l'anticorps et peut coller à des parties d'agents pathogènes ou de toxines, quelle que soit la substance reconnue comme étrangère et une menace possible. 

Les anticorps de taille normale, comme ceux des humains (à gauche), ont généralement des chaînes protéiques lourdes (bleu foncé) et des chaînes protéiques légères (bleu clair). En plus de ces anticorps standard, les requins et les chameaux et leurs proches fabriquent des anticorps avec uniquement des chaînes lourdes (milieu et droite). Les fragments aux extrémités des anticorps (indiqués dans des cercles), appelés domaines variables, collent à des parties d'agents pathogènes ou de toxines, quelle que soit la substance reconnue comme étrangère à l'organisme. Les domaines variables des requins (VNAR, milieu) et des chameaux (VHH, ou nanocorps, droite) ont une extension extra-longue en forme de doigt, appelée boucle CDR3, qui peut atteindre les coins et recoins inaccessibles à un fragment d'anticorps standard (ScFv, gauche ).

Dans les anticorps standard (que fabriquent également les chameaux), les domaines variables viennent par paires, l'un de la chaîne lourde et l'autre de la chaîne légère. Mais les domaines variables des anticorps à chaîne lourde du camélidé sont des singletons. Les chercheurs ont réalisé que ces fragments solitaires pourraient être capables de saisir des parties de molécules étrangères que les anticorps conventionnels étaient trop volumineux pour atteindre. 

En 1993, l'équipe a publié la découverte dans Nature. L'année suivante, Hamers a breveté la production de ces fragments d'anticorps de camélidés (ils sont également connus sous le nom d'anticorps VHH ou "nanobodies", un terme déposé). Quelques années plus tard, un autre groupe de chercheurs a rapporté que les requins fabriquent également des anticorps avec uniquement des chaînes lourdes et que ceux-ci ont une pointe encore plus petite (ces fragments d'extrémité de requin sont appelés nouveaux récepteurs d'antigène variables, ou VNAR).

Lorsque le brevet principal a expiré en 2013, les recherches sur les anticorps ont vraiment explosé, explique Ploegh, immunologiste au Boston Children's Hospital. "C'est en quelque sorte à ce moment-là que le barrage s'est rompu et que beaucoup de gens ont participé au jeu."

Les scientifiques ont depuis beaucoup appris sur les avantages de ces mini-anticorps. Certains sont pratiques : contrairement aux anticorps de taille normale, les fragments sont stables à température ambiante, il n'est donc pas nécessaire de les conserver au congélateur ou de les expédier au froid. Les mini-anticorps de requins peuvent même être bouillis sans effet sur leur fonction, dit LeBeau. Et tandis que les anticorps grandeur nature nécessitent la culture de cellules de mammifères dans un flacon, ce qui peut être compliqué et coûteux à entretenir, les fragments peuvent être fabriqués en grandes quantités à l'aide de bactéries, ce qui permet d'économiser du temps et de l'argent.

Les scientifiques étudient les nanocorps et leurs petits frères à toutes sortes de fins. Cette recherche peut commencer par la construction d'une bibliothèque de nanocorps : pour identifier des fragments d'anticorps qui agissent contre une cible spécifique, comme le SRAS-CoV-2 ou une protéine cancéreuse, les chercheurs commencent souvent par immuniser un chameau ou un requin avec leur cible d'intérêt. Quelques semaines plus tard, ils prélèvent du sang sur l'animal pour obtenir des globules blancs. À partir de ces globules blancs, ils font des copies des gènes des anticorps à insérer dans des virus appelés bactériophages qui affichent les nanocorps à leur surface. Les chercheurs peuvent ensuite trier ces nanocorps, comme chercher de l'or pour trouver ceux qui s'attachent à leur protéine d'intérêt.

Ces mini-anticorps ont également tendance à s'auto-assembler correctement, en gardant leur forme correcte, ce qui en fait une alternative prometteuse aux anticorps de taille normale, qui ont plus de pièces et peuvent donc mal se replier. Un tel mauvais repliement peut exposer des parties qui sont plus susceptibles d'être reconnues par le système immunitaire comme des molécules étrangères, ce qui peut provoquer une réponse immunitaire négative dans le corps, avec des conséquences potentiellement graves pour la santé du patient.

Mais le trait distinctif des mini-anticorps est leur polyvalence. Tous les anticorps, qu'ils soient humains ou de requin, ont des domaines variables à leurs extrémités, mais ceux des requins et des chameaux ont des caractéristiques uniques. Ils ont un doigt particulièrement long et mince appelé boucle CDR3 qui peut pénétrer dans des endroits auxquels les anticorps humains ne peuvent pas accéder. Ils semblent adopter facilement différentes formes - LeBeau décrit cette caractéristique comme du "yoga moléculaire". Cela signifie que les mini-anticorps peuvent pénétrer dans des endroits étroits, que ce soit dans les tissus du corps ou sur de minuscules parties de molécules individuelles.

Anticorps anticancéreux

La recherche sur ces mini-anticorps inhabituels commence maintenant à porter ses fruits. En 2019, le premier mini-traitement médical par anticorps approuvé par la Food and Drug Administration américaine, appelé Cablivi, est arrivé sur le marché. Il traite un trouble sanguin rare qui entraîne la formation de caillots dans les petits vaisseaux sanguins. Le traitement utilise des nanocorps pour se lier à une protéine dans les plaquettes, ce qui les empêche de se coller.

Les mini-anticorps pourraient devenir un outil précieux pour le traitement du cancer. Les anticorps pleine grandeur sont déjà utilisés en immunothérapie pour traiter certains cancers ; dans certains cas, l'anticorps marque les cellules cancéreuses afin que les propres cellules du système immunitaire du corps puissent ensuite reconnaître et tuer les cellules voyous ; dans d'autres, cela pourrait rapprocher les cellules immunitaires des cellules cancéreuses afin que le corps puisse mieux combattre le cancer. Les mini-anticorps peuvent effectuer les mêmes tâches, mais peuvent également être utilisés d'autres manières, telles que le ciblage de protéines pour réduire la croissance tumorale ou empêcher les vaisseaux sanguins d'alimenter une tumeur. Et les anticorps plus petits peuvent également être moins susceptibles de déclencher une réponse immunitaire négative que les anticorps d'immunothérapie pleine grandeur, ce qui peut conduire à des améliorations spectaculaires du traitement, dit Ploegh.

Des anticorps de taille normale sont déjà utilisés pour l'immunothérapie contre le cancer, exploitant les diverses cellules du système immunitaire du corps pour aider à tuer les cellules cancéreuses. Par exemple, les cellules T peuvent être retirées du corps et modifiées pour fabriquer un récepteur d'antigène chimérique (CAR) qui comprend un fragment d'anticorps humain capable de reconnaître certains types de cancer. Les nanocorps peuvent être utilisés de la même manière pour attaquer les tumeurs, par exemple en ciblant des protéines pour réduire la croissance tumorale ou en empêchant les vaisseaux sanguins d'alimenter une tumeur. 

LeBeau, pour sa part, se concentre sur le développement de mini-anticorps ciblés pour le cancer de la prostate et du poumon. Les requins de son laboratoire, chacun nommé d'après les méchants de James Bond - Goldfinger, Hugo Drax, M. Stamper, Oddjob et Nick Nack - lui fournissent des anticorps qu'il utilise dans des expériences de laboratoire. Son laboratoire a récemment identifié un fragment d'anticorps de requin spécifique d'une forme de cancer du poumon très agressive et actuellement incurable. Il espère que ce nouveau mini-anticorps pourrait aider à combattre le cancer et a des études en cours pour le tester.

 Les mini-anticorps aident également les médecins à détecter plus facilement les cancers, en identifiant les cellules malades avec plus de précision. En attachant des molécules de traceurs radioactifs à des anticorps spécifiques qui recherchent les cellules cancéreuses, les médecins peuvent localiser les cellules cancéreuses sur une TEP, potentiellement avec une résolution plus élevée qu'avec les anticorps standard car ils peuvent pénétrer plus profondément dans les tissus. Un de ces traceurs à base de nanocorps a détecté plusieurs tumeurs chez la souris avec une spécificité plus élevée que l'imagerie conventionnelle, a rapporté une équipe dans PNAS en 2019.

Vaincre les virus

Les scientifiques exploitent également des mini-anticorps pour lutter contre les maladies infectieuses, dont le Covid-19. Wai-Hong Tham, chercheur en maladies infectieuses à l'Université de Melbourne et au Walter and Eliza Hall Institute of Medical Research, a travaillé pour générer des nanocorps qui s'accrochent à une partie de la protéine de pointe du SRAS-CoV-2, pour prévenir le virus de pénétrer dans les cellules du corps.

Dans une étude préliminaire, publiée dans PNAS en 2021, Tham et ses collègues ont identifié plusieurs nanocorps d'alpagas qui interféraient avec la capacité des protéines de pointe à se verrouiller sur la poignée de porte moléculaire qu'elle utilise pour pénétrer dans les cellules ; des cocktails de nanocorps ont également réduit la quantité de virus lors d'expériences sur des souris. Idéalement, dit Tham, ils pourraient trouver un nanocorps qui bloque universellement Covid-19 quelle que soit la variante du coronavirus. D'autres cocktails de nanocorps semblent également prometteurs : quatre nanocorps, mélangés et assortis dans diverses combinaisons, ont désactivé la protéine de pointe dans des expériences dans des cellules, a rapporté une équipe distincte en 2021 dans Science.

Des mini-anticorps pourraient être délivrés via la technologie de l'ARNm afin que les anticorps s'assemblent à l'intérieur des cellules des gens, dit Tham. Les injections de type vaccin pourraient agir contre d'autres maladies infectieuses, contrer des toxines telles que le botulisme, ou même fournir des traitements contre le cancer ou d'autres affections.

Et avec une simple pilule, des mini-anticorps pourraient être délivrés directement dans l'intestin, ce qui pourrait aider à bloquer un certain nombre d'agents pathogènes, par exemple le rotavirus, qui pénètrent dans le corps par le tube digestif. Les petits microbes – tels que les levures, les bactéries et les algues – ne peuvent pas fabriquer efficacement des anticorps de taille normale car ils sont trop complexes. Cependant, des chercheurs ont proposé de modifier génétiquement la spiruline (une algue bleu-vert souvent vendue comme supplément nutritionnel) ou des bactéries inoffensives appelées Lactobacilli ou Lactococcus qui pourraient délivrer des nanocorps thérapeutiques via une pilule, ce qui serait beaucoup plus rentable que de produire un médicament, dit Tham.

Mystères des cellules détectives

Les anticorps diminutifs sont également une aubaine pour les scientifiques qui étudient les protéines et étudient les interactions entre les molécules. La taille et le doigt long de ces anticorps peuvent aider à résoudre les structures protéiques, à cartographier les protéines à l'intérieur des cellules et à montrer comment les molécules à l'intérieur des cellules interagissent les unes avec les autres. 

Les chercheurs ont récemment résolu la structure d'une protéine humaine appelée ASIC1a, par exemple - elle forme un type de canal qui laisse passer le sodium dans les cellules nerveuses et joue un rôle important dans la perception de la douleur et plusieurs maladies neurodégénératives. La stabilisation de la protéine avec un nanocorps a permis aux chercheurs de déterminer sa structure avec une plus grande résolution, a rapporté l'équipe en 2021 dans eLife.

Les anticorps à domaine unique "ont le potentiel de cartographier des interactions qui seraient très difficiles à étudier autrement", déclare Ploegh, co-auteur d'un aperçu de leurs traits dans l'Annual Review of Immunology 2018. Les scientifiques étudient même leur utilisation potentielle dans le cerveau - une tâche délicate car la barrière hémato-encéphalique aime empêcher les molécules étrangères d'entrer. Une équipe internationale a récemment rapporté avoir utilisé des nanocorps comme capteurs pour étudier si oui ou non une protéine dans le cerveau d'une souris était activée et où elle se trouvait.

Ploegh dit que les mini-anticorps sont exceptionnellement utiles et présentent des avantages significatifs par rapport aux anticorps de taille normale, mais ils restent quelque peu niches en raison de l'accès limité aux animaux qui les fabriquent – tous les chercheurs n'ont pas de chameaux, de lamas ou, dans le cas de LeBeau, de requins. ("Probablement très peu de gens sont assez fous pour construire un aquarium à requins et travailler avec des requins. Mais nous le sommes", déclare LeBeau.)

Mais cela commence à changer à mesure que l'intérêt augmente. Les chercheurs développent également de nouvelles approches, telles que la création de nanocorps synthétiques et le développement de souris dotées de systèmes immunitaires « camélisés » pour la recherche.

Les scientifiques ne savent toujours pas pourquoi les camélidés et les poissons cartilagineux, comme les requins, sont les seuls animaux connus pour fabriquer des anticorps à chaîne lourde. Les requins sont les organismes vivants les plus anciens à compter sur les anticorps dans le cadre de leur système immunitaire, et leurs anticorps sont plus stables que ceux des camélidés. Les scientifiques pensent que les requins dépendent de ces anticorps en raison des fortes concentrations d'urée dans leur sang, ce qui dégraderait les anticorps de la plupart des mammifères.

Les requins ont évolué environ 350 millions d'années avant les chameaux, mais les anticorps de la chaîne lourde des camélidés sont également relativement anciens : on les trouve à la fois chez les camélidés de l'Ancien Monde, comme les chameaux, et chez les camélidés du Nouveau Monde, comme les lamas et les alpagas, ce qui suggère que les anticorps peuvent s'être développés tôt dans l'évolution de la lignée. Peut-être « qu'il existe certains agents pathogènes propres aux camélidés qui sont mieux combattus avec ces anticorps à chaîne lourde », explique Ploegh.

Les anticorps à chaîne lourde des requins pourraient bien être les plus anciennes molécules immunitaires encore existantes, mais LeBeau est exubérant quant à ce qu'ils pourraient accomplir à l'avenir. «Chaque fois que vous travaillez avec eux, vous voyez quelque chose de nouveau chaque jour. Et c'est vraiment excitant », dit-il.

Et quant à ses requins de deux pieds de long, lorsqu'ils seront trop grands pour leur aquarium, ils se retireront dans l'aquarium local.

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.