JP6853250B2

JP6853250B2 - 抗体の挿入可能な可変フラグメント及びｎｋｇ２ｄリガンドの改変されたａ１−ａ２ドメイン、及び非天然のｎｋｇ２ｄ受容体に結合する非天然のｎｋｇ２ｄリガンド

Info

Publication number: JP6853250B2
Application number: JP2018526495A
Authority: JP
Inventors: ランドグラフ，カイル; ステイガー，ダニエル，ピー．; バロン，タラー; ゲブハート，ダナ
Original assignee: ザイフォスバイオサイエンスィズインコーポレーテッド
Priority date: 2015-08-04
Filing date: 2016-08-04
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2036-08-04
Also published as: JP2018529757A; AU2016303611A2; AU2016303611A1; WO2017024131A1; CA2993354A1; US10259858B2; JP2021098741A; EP3331912B1; EP3331912A1; KR20180037236A; WO2017024131A8; AU2016303611B2; JP2023058680A; US20180134765A1; JP7446501B2

Description

本出願は、Fvドメインの特異的抗原結合特性を有するポリペプチド、例えば、抗体の挿入可能な可変フラグメント、及びNKG2Dリガンドの改変されたα1-α2ドメインの産生に一般的に関する。

図1の抗体(Ab)は、ヒトを含む多くの哺乳動物で免疫グロブリン(Ig)としても知られており、異物、例えば細菌及びウイルスなどを識別して中和するために免疫系により使用される大きいY形状のタンパク質である(Charles Janeway (2001). Immunobiology. (5th ed.), Chapter 3. Garland Publishing. ISBN 0-8153-3642-X. (NCBI Bookshelfによる電子全テキスト)。抗体は、抗原と呼ばれる外来性標的の特有の部分を認識する。抗体の「Y」の2本の腕の各先端は、抗原を結合する部位、即ちパラトープ(錠に類似の構造)を含有し、それは、抗原の1つの特定のエピトープ(同様に、鍵に類似)に特異的であり、これらの2つの構造が精密に互いに結合することを可能にする。この結合機構を使用して、抗体は、免疫系の他の部分により攻撃するために微生物若しくは感染された細胞にタグを付けることができるか又はその標的を、例えば、微生物のその侵襲及び生存のために必須の部分を封鎖することにより直接中和することができる。抗体の産生は、液性の又は「適応性のある」免疫系の主要な機能である。抗体は、形質細胞により分泌される。抗体は、天然に2通りの物理的形態、細胞から分泌される可溶性形態、及びYの「幹部分」を通してB細胞の表面に取り付けられた、膜に結合した形態で生じ得る。

抗体は、免疫グロブリンのスーパーファミリーに属する糖タンパク質であり、典型的には、各々2つの大きい重鎖及び2つの小さい軽鎖を有する基本構造単位で作られている。幾つかの異なったタイプの抗体重鎖、及び幾つかの異なった種類の抗体があり、それらは、それらが有する重鎖に基づいて異なったアイソタイプにグループ分けされる。5種の異なった抗体アイソタイプが哺乳動物で知られている(Market E, Papavasiliou FN (October 2003). "V(D)J recombination and the evolution of the adaptive immune system". PLoS Biol. 1 (1): E16. doi: 10.1371/journal.pbio.0000016. PMC 212695. PMID 14551913)。全ての抗体の一般的構造は非常によく似ているが、Y形状のタンパク質の各腕の先端にある小さい領域が、極めて可変性であり、僅かに異なった先端構造、又は抗原結合部位を有する数百万種の抗体が存在することを可能にする。この領域は、超可変又は可変領域として知られている。これらの天然の変形体の各々は、異なった抗原に結合することができる。抗体のこの桁外れの多様性は、免疫系が同じく多種多様な抗原に適合して認識することを可能にする(Hozumi N, Tonegawa S (1976). "Evidence for somatic rearrangement of immunoglobulin genes coding for variable and constant regions". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 73 (10): 3628-3632. doi: 10.1073/pnas.73.10.3628. PMC 431171. PMID 824647.)。

天然の「Y」形状のIg分子は、4本のポリペプチド鎖;ジスルフィド結合により接続された2本の同一の重鎖及び2本の同一の軽鎖からなる、図1。各重鎖は、2つの主要な領域、定常領域(CH)及び可変領域(VH)を有する。定常領域は、同じアイソタイプの全ての抗体で本質的に同一であるが、異なったアイソタイプの抗体では異なる。軽鎖も、2つの継続するドメイン:より小さい定常領域(CL)及び可変領域(VL)を有する(Woof J, Burton D (2004). "Human antibody-Fc receptor interactions illuminated by crystal structures." Nat Rev Immunol 4 (2): 89-99. doi: 10.1038/nril266. PMID 15040582)。

抗体の幾つかの部分は同じ機能を有する。例えば、Yの2本の腕の各々は、抗原に結合することができる部位を含有し、それ故、特異的に異物を認識する。抗体のこの領域は、Fv(フラグメント、可変)領域と呼ばれる。それは、抗体の重鎖(V_H)からの1つの可変ドメイン及び軽鎖(V_L)からの1つの可変領域で構成される(Hochman J, Inbar D, Givol D (1973). An active antibody fragment (Fv) composed of the variable portions of heavy and light chains. Biochemistry 12 (6): 1130-1135. doi: 10.1021/bi00730a018. PMID 4569769)。パラトープは、Fvの一端で成形されており、抗原に結合するための領域である。それは、V_L上及びV_H上の各3本のβ-ストランドの可変ループで構成され、抗原への結合を担う、図2。これらの6本のループは、相補性決定領域(CDR)と称される(North B, Lehmann A, Dunbrack RL (2010). "A new clustering of antibody CDR loop conformations". J Mol Biol 406 (2): 228-256. doi: 10.1016/j. jmb. 2010.10.030. PMC 3065967. PMID 21035459)。

特異的な抗原結合機能を有する有用なポリペプチドは、抗体の可変領域のCDRから誘導され得る。これらの2つの抗体可変ドメイン、各々3つのCDRを有する軽鎖(VL)の1つ及び重鎖(VH)からの1つは、タンデムにいずれかの順で融合することができ、10から約25個のアミノ酸の単独の短いリンカーペプチドを使用して、各々1つの重鎖及び軽鎖の可変ドメインを含む線状の単鎖可変フラグメント(scFv)ポリペプチドを創る、図3(Bird, R. E., Hardman, K. D., Jacobson, J. W., Johnson, S., Kaufman, B. M., Lee, S. M., Lee, T., Pope, S. H., Riordan, G. S., and Whitlow, M. (1988) Single-chain antigen-binding proteins, Science 242, 423-426; Huston, J. S., Levinson, D, Mudgett-Hunter, M, Tai, M-S, Novotny, J, Margolies, M.N., Ridge, R., Bruccoleri, RE., Haber, E., Crea, R., and Opperman, H. (1988). Protein engineering of antibody binding sites: Recovery of specific activity in an anti-digoxin single-chain Fv analogue produced in Escherichia coli. PNAS 85: 5879-5883)。

リンカーは、通常、柔軟性のためにグリシン、並びにセリン、トレオニン、又は溶解性のために荷電したアミノ酸に富み、V_HのN末端をV_LのC末端と、又はその逆のいずれかで接続することができる。このタンパク質は、定常領域の除去及び単一のリンカーの導入にもかかわらず、元の免疫グロブリンの特異性を保持する。この様式は、組替えDNA技術の当業者が、親タンパク質にscFvの抗原結合特性を付与するために、線状scFvを親タンパク質のN-又はC末端に遺伝子的に融合させることを可能にする。多価及びタンデムscFv領域の多数の他の提案された又は創り出された配置があるが、以下で記載するように重要なこととして、全て、少なくとも2つの末端が空間的に隔たっている、図4(Le Gall, F.; Kipriyanov, SM; Moldenhauer, G; Little, M (1999). "Di-, tri- and tetrameric single chain Fv antibody fragments against human CD19: effect of valency on cell binding". FEBS Letters 453 (1): 164-168. doi: 10.1016/S0014-5793 (99) 00713-9. PMID 10403395)。

本開示は、ポリペプチド、幾つかの実施形態においては、抗体又は抗体のフラグメントに取り付けられたNKG2Dリガンドの改変されたα1-α2ドメインに関する。幾つかの態様において、本開示は、軽鎖及び重鎖の抗体可変ドメインから誘導された、2つのリンカー領域及び分裂した可変ドメインを含有する抗原結合ペプチドに関する。

本特許又は出願ファイルは、色付きで仕上げられた少なくとも1つの図面を含む。色図面(複数可)を有する本特許又は特許出願の公開のコピーは、要請及び必要な料金の支払いがあれば当局によって提供されるであろう。

典型的な哺乳動物の抗体の、そのY形状の構造及び構造成分を示す模式図である。パラトープ即ち抗原結合部位を形成する、V_Hの3つの標識された(相補性決定領域)CDR及びV_LのCDRの3つの標識されていないループを示す哺乳動物の天然抗体のFv領域の構造の模式図である。左にN末端及び右にC末端を含む抗原結合部位を有する単鎖可変フラグメント(scFv)の2通りの可能な構造の模式図である。各scFvにおける単一のリンカー領域、又はリンカーペプチドを矢印で示す。多価単鎖可変フラグメント(scFv)の図である。二価(上)及び三価(下)のscFv、タンデム(左)及び二量化/三量化様式(右)の構造。各々2つ以上の空間的に隔たった自由末端を有することに注目されたい。挿入可能な可変フラグメント、iFvの図解である。挿入可能な可変フラグメント、iFvの図解。(A)iFv様式のドメインのトポロジーを示すFGFR3-結合抗体からの可変軽鎖(VL)及び可変重質(VH)ドメインの構造。グレイの矢印は、2つのリンカー領域(LR)を表し、その1つ及び1つのみが、VL及びVHの末端を接続してscFvを創り出すために伝統的に使用されている。点線で囲ったLRがVLのC末端をVHのN末端(分子の後ろ側に見える)に接続していた。実線で囲ったLRはVHのC末端をVLのN末端に接続していた。分裂したVLドメインのセグメントは、本文で記載されるように標識されたNt及びCtである。ストランド1(S1)及びストランド2(S2)の間のN及びC末端の非天然対の創出の結果として、VLがN末端セグメント(VLN)及びC末端セグメント(VLC)に分割された。VL及びVHの6つのCDRは、図の上部にループとして表されている。(B)スペーサー領域(SR)を有するか又は有しないMICA-α3のループ1(L1)中にiFvを挿入するためのドメインのレイアウトのスキームの図である。iFvは、ループ2(L2)及び/又はループ3(L3)中にも同様に挿入することができた。 FGFR3がコートされたウェルに結合している改変されたsMICA分子についての滴定曲線の図である。結合したsMICAを、NKG2D-Fcを使用するELISAにより検出して、二重特異性活性を確認した。挿入された可変フラグメントの両方の型(MICA-α3-iFv.1及びMICA-α3-iFv.2)が、FGFR3に、Fv(MICA-scFv)のC末端融合体に同程度に結合した。 MICA-α3-iFv.2の熱安定性の図である。指示された温度(セルシウス温度)に1時間暴露された後に、FGFR3でコートされたウェルに結合したMICA-scFv(A)又はMICA-α3-iFv.2(B)のELISA滴定曲線である。MICA-α3-iFvは、80℃に暴露後にFGFR3に対して強い結合を示したが、それに対してMICA-scFvは70℃に暴露後に活性を大きく減じた。 NKに媒介された標的細胞溶解アッセイの図である。NKLエフェクター細胞を、カルセインを添加したFGFR3を発現するP815標的細胞と15:1のエフェクター:標的比で共インキュベートした。陰性対照MICA(sMICA)の増大する濃度は標的細胞溶解に効果を有しなかったが、指示されたFGFR3を結合しているMICA-α3-iFv変形体は標的細胞溶解を刺激した。MICA-scFvと比較して、両方のMICA-α3-iFv変形体はより大きい標的細胞溶解を指示した。 CD20特異的sMICA変形体の標的結合及び細胞溶解活性の図である。MICA-α3-iFv.3は、CD20でコートされたウェルに対してELISAで滴定可能な結合を示し(A)、CD20を発現するRamos細胞の増強されたNKに媒介される細胞溶解も示した(B)。(B)では、NKLエフェクター細胞を、カルセインを添加されたCD20を発現するRamos細胞と、15:1のエフェクター:標的比で、陰性対照(sMICA)又はMICA-α3-iFv.3のいずれかの濃度を増大させて、共インキュベートした。 FGFR3でコートされたウェルに対するNKG2DL-α3-iFv.2タンパク質の結合の滴定曲線の図である。NKG2D-Fcを使用して結合したタンパク質をELISAにより検出して、二重特異性活性を確認した。NKG2DL-α3-iFv.2タンパク質の全ての型で(OMCP、ULBP1、2、3、4、6)、結合したFGFR3を同様に試験した。 NKに媒介される標的細胞溶解アッセイの図である。NKLエフェクター細胞と、カルセインを添加したFGFR3を発現するP815標的細胞とを15:1のエフェクター:標的比で共インキュベートした。陰性対照MICA(sMICA)の増大する濃度は、標的細胞溶解に対して効果を有せず、それに対して各指示されたNKG2DL-α3-iFv.2タンパク質は標的細胞溶解を刺激した。 NKG2D親和性を増強するためのMICAのα1-α2ドメインの構造に支配される突然変異生成の図である。(A)濃いグレイに着色された57個の残基に位置づけられたNKG2D-結合表面を有するMICA(PDB1HYR)のα1-α2ドメインの構造。(B)6箇所の位置がNKG2D親和性変異のために非常に重要な部位として同定された。野生型アミノ酸残基を標識して、それらの側鎖を濃いグレイの球で示した。 α1-α2変形体を親和性でランク付けするNKG2D-Fc競合ELISAの図である。(A)プレートにコートされたMICAに対するヒトNKG2D-Fcの結合を阻害するα1-α2親和性変形体(15〜18)、野生型(WT)、又はWED可溶性MICAタンパク質のパネルについての滴定データ。(B) (A)におけるものと同じ組のタンパク質をマウスNKG2D-Fcに対して滴定した。両方のアッセイにおいて、変形体15、16、17、及び18は、WT及びWEDタンパク質の両方よりはるかに小さいIC₅₀値を示した。平衡IC₅₀値を表3に示す。 α1-α2変形体のNKG2Dに対する結合について、Octet instrumentでバイオレイヤー干渉法により測定された会合及び解離速度の分析の図である。α1-α2変形体のパネルについての反応速度追跡。会合及び解離相を、単一指数(single exponential)1:1結合方程式を使用して適合させ、適合から誘導されたオン及びオフの速度定数を表3に示す。 FGFR3を発現する標的細胞を標的とするα1-α2変形体についてのNKに媒介される標的細胞死滅アッセイの図である。NKLエフェクター細胞と、カルセインを添加されたFGFR3を発現するP815標的細胞とを15:1のエフェクター:標的比で共インキュベートした。陰性対照MICA(sMICA)の増大する濃度は標的細胞溶解に効果を有しなかったが、それに対して、指示されたα1-α2変形体は、標的細胞溶解を刺激した。WT及びWED-MICAと比較して、変形体16、17、及び18は、低濃度で有意に増大した死滅を示した。 NKG2Dに対する親和性を増強するための、MICAのα1-α2ドメインの構造に支配される突然変異生成の図である。57個の特異的アミノ酸部位が広く突然変異を起こしている濃いグレイに着色されたそのNKG2D-結合表面を有するMICA(PDB1HYR)のα1-α2ドメインの構造。天然のNKG2Dのホモダイマー内のチロシン残基Y152及びY199の図である。天然及び非天然のNKG2D受容体の外部ドメインの、NKG2Dリガンド-Fc融合体の天然及び非天然α1-α2ドメインに対する結合のELISAの結果の図である。(A)α1-α2ドメインのリガンド-Fcパネルに対する野生型NKG2Dの結合は、MICv25-Fcに対する最も高い親和性で全てのリガンドに対する結合を示す。(B)非天然のNKG2D変異体Y199Aは、リガンド結合活性を示さない。(C)非天然のNKG2D変異体Y152Aは、MICv25-Fcに対してのみ高い親和性結合を保持する。(D)非天然のNKG2Dの二重変異体Y152A及びY199Aはリガンド結合活性を示さない。 ULBP変形体のNKG2Dに対する結合のファージELISA滴定の図である。パネル(A)は、ファージ上に表示されたULBP2変形体をNKG2Dに対して滴定して、自然のままのULBP2(WT、黒丸)に対する相対結合親和性を測定した実験を画く。パネル(B)は、ファージ上に表示されたULBP3変形体をNKG2Dに対して滴定して、自然のままのULBP3(WT、黒丸)に対する相対結合親和性を測定した実験を画く。 MICA及びULBPからのα1-α2ドメインのタンパク質配列の整列(MICA、配列番号99;ULBP4、配列番号103;ULBP3、配列番号102;ULBPl、配列番号100;ULBP5、配列番号104;ULBP2、配列番号101;ULBP6、配列番号105)の図である。グレイで強調されているアミノ酸を、ULBP2(60アミノ酸)及びULBP3(36アミノ酸)におけるNNK突然変異生成のために選択した。黒色で強調されている残基は、選択されるための重要な位置と確認され、NKG2Dに対する結合親和性を変調する変異と確認された(表6及び7)。 HER2特異的抗体の重鎖に対するULBP2及びULBP3のα1-α2ドメイン変形体の融合が、増強されたNKG2D結合親和性を示した図である。改変されたULBP2のα1-α2ドメイン変形体R80W(配列番号87)及びV151D(配列番号88)、及び改変されたULBP3変形体R162G(配列番号89)は、それらのCからSまでの天然ULBP融合体と比較して増強されたNKG2D結合を示した(それぞれ、配列番号16及び17)。 HER2特異的抗体の重鎖に対するULBP2及びULBP3のα1-α2ドメイン変形体の融合体に媒介された、NKL細胞によるSKBR3標的細胞の特異的溶解を示した図である。改変されたULBP2α1-α2ドメイン変形体R80W(配列番号87)及びV151D(配列番号88)は、C8Sと自然のままのULBP2(配列番号16)の融合体(WT)と比較して増強された標的細胞死滅を示した(A)。改変されたULBP3変形体R162G(配列番号89)は、C103Sと自然のままのULBP3(配列番号17)の融合体(WT)と比較して増強された標的細胞死滅を示した(B)。 Y152A NKG2D-Fcに対する結合のために選択された非天然α1-α2ドメインのファージELISAの結果の図である。(A)オルトゴナルな(Orthogonal)ULBP2クローン、(B)オルトゴナルなMICAクローン、及び(C)オルトゴナルなULBP3クローン。 Y152A NKG2D-Fcに対する結合のために選択された非天然α1-α2ドメインとR3抗体の融合体についてのELISAの結果の図である。(A)R3HC25抗体の融合体はY152A NKG2Dに対して選択的ではない。(B)R3HC25.17(配列番号97)と抗体との融合体は、Y152A NKG2Dに対して天然のNKG2D-Fcよりも選択的である。(C)R3HC.U2RWと抗体との融合体は、Y152A NKG2Dに対して天然のNKG2D-Fcより選択的ではない。(D)R3HC.U2S3(配列番号98)と抗体との融合は、Y152A NKG2Dに対して天然のNKG2D-Fcよりも選択的である。典型的なCARの構造の図である(Gill & June, 2015, op cit)。標的細胞死滅についてのIn-vitroにおけるCAR-Tアッセイの図である。(A)天然のNKG2D CAR-T細胞は、天然MICAを発現するP1標的細胞を死滅させるが、一方、Y152A NKG2D CAR-T細胞は無能であり、MICAを発現する標的に対する死滅活性が低下している。(B)選択的なオルトゴナルな抗体融合体、R3HC25.17(配列番号97)及びR3HC.U2S3(配列番号98)は、FGFR3を発現する細胞に対するY152A NKG2D CAR-T細胞の死滅活性を選択的に制御する。

幾つかの態様において、本発明は、挿入可能な可変フラグメント(iFv)ペプチドに関する。多価scFv構造を含むscFv分子のC末端とN末端は、空間的にはるかに隔たっているので、scFv構造を、親又は受容タンパク質のタンパク質折りたたみの内に包埋されたループ領域中に、その折りたたみを乱さずに若しくは不安定化させずに、及び/又はCDR又は超可変領域を適切に位置させて、それらの抗原結合特性を保持させるために必要なFvフレームワークを乱さずに、挿入することはできない。

6個までのCDRを含有する抗体の可変フラグメントを、形成途中の親タンパク質分子の1つ以上のループ領域中に、可変フラグメント又は親タンパク質の構造的折りたたみを乱さずに挿入するために、本発明者らは、軽鎖及び重鎖の抗体可変ドメインから誘導された新しいクラスの抗原結合ペプチドを発明した。その新しい構造は、scFv構造の在来の単一のリンカーではなくて、2つのリンカー領域に加えて分裂した可変ドメインを含有した。概念的には、可変軽鎖(VL)及び重鎖(VH)ドメインの標準的な末端を、連続した又は「円形の」ペプチド中に融合した。次に概念的に、Fvの6個全てのCDRを含有するその円形のペプチド構造は、数カ所の可能な新規な部位の1つで分裂して、挿入可能なFv(iFv)を創り出すことができる。非天然の分裂した部位は、軽鎖又は重鎖のいずれかの可変ドメイン内にループの頂部又は曲がり角で又はそれら付近で創られて、互いに空間的に隣接して、好ましくは0.5から1.5nm以内に位置する新しい、特有のN-及びC末端を創り出すことができ、その結果、他の(親又は受容)タンパク質又はポリペプチドのループ中に、構造、安定性、又は望ましい機能を乱さずに挿入可能になる。この新しいクラスのペプチドは、挿入可能な可変フラグメント(iFv)と呼ばれる。iFvにより受容分子に運ばれる結合又は標的設定の特異性は、受容分子に異なった抗体若しくはscFvに基づく別の又は異なったiFVを挿入することにより、又は存在する挿入可能なiFvのCDRの1個以上を置き換えることにより変化させることができる。

Fvドメインの特異的抗原結合特性を示す1つ以上のiFvポリペプチドを他のタンパク質中に挿入して、それにより新規な結合特性を付与することは、多くの有用性を有する。そのような使用には、親タンパク質が、特異的抗原に結合すること、抗原を標的とすること、抗原の存在を検出すること、抗原を除去すること、抗原と接触若しくはそれに近づくこと、ペイロード(payload)を抗原若しくは抗原を発現する細胞に送達すること、抗原を補充すること、及び抗原の存在を撮像することを可能にすることが含まれるが、これらに限定されない。ペイロードは、iFvのアミノ末端及びカルボキシ末端の一方又は両方の直接、又は親タンパク質若しくはペプチドを通してiFvに間接的に複合体化することができる。ペイロードの例には、発色団、蛍光団、薬理作用団、原子、重質若しくは放射性同位体、撮像剤、化学療法剤、又は毒素が含まれるが、これらに限定されない。ペイロードと複合体化されたiFvは、iFvが特異的に結合する標的分子の位置を突き止め、存在を確認するために使用することができ、且つそれ自体小さくて安定なインビトロ又はインビボの撮像剤又は診断薬として役立ち得る。それに加えて、iFv-薬剤複合体を、例えば、悪性腫瘍又は感染の治療剤として創るために、iFvペプチドのアミノ末端及びカルボキシ末端の一方又は両方に、化学療法剤又は毒性の分子を複合体化することができる。単一のペイロードは、2つの末端に橋をかける又は接続するように、iFvペプチドのアミノ末端及びカルボキシ末端の両方に複合体化されてもよい。そのような橋かけは、iFvを、エキソペプチダーゼによる末端の分解を阻止するか又は変性若しくは折りたたみの広がりからiFvを保護することによりさらに安定化することができる。

iFvペプチドを挿入するための候補である親若しくは受容タンパク質又はポリペプチドの例として、抗体、Igの折りたたみ又はIgドメインで構成されるタンパク質、グロブリン、アルブミン、フィブロネクチン及びフィブロネクチンドメイン、インテグリン、蛍光性タンパク質、酵素、外部膜タンパク質、受容体タンパク質を含むタンパク質、T細胞受容体、キメラ抗原受容体、ウイルス抗原、ウイルスのカプシド、細胞受容体に対するウイルスのリガンド、高分子量バクテリオシン、ヒストン、ホルモン、ノッチン(knottins)、環状ペプチド又はポリペプチド、主要組織適合性(MHC)ファミリーのタンパク質、MICタンパク質、レクチン、及びレクチンに対するリガンドが含まれるが、これらに限定されない。iFv構造を、非タンパク質受容分子、例えば、多糖類、デンドリマー、ポリグリコール、ペプチドグリカン、抗生物質、及びポリケチドなどに挿入することも可能である。

ナチュラルキラー(NK)細胞及び免疫系のある種の(CD8+αβ及びγδ)T細胞は、ヒト及び他の哺乳動物で、新生物の細胞及びウイルスに感染された細胞に対する第一線の、生来の防御として重要な役割を有する(Cerwenka, A., and L.L. Lanier. 2001. NK cells, viruses and cancer. Nat. Rev. Immunol. 1: 41-49)。NK細胞及びある種のT細胞は、それらの表面にNKG2Dという、標的細胞を認識して病的細胞に対する生来の防御を活性化させることを担う、突出したホモダイマーの表面免疫受容体を表す(Lanier, LL, 1998. NK cell receptors. Ann. Rev. Immunol. 16: 359-393; Houchins JP et al. 1991. DNA sequence analysis of NKG2, a family of related cDNA clones encoding type II integral membrane proteins on human NK cells. J. Exp. Med. 173: 1017-1020; Bauer, S et al., 1999. Activation of NK cells and T cells by NKG2D, a receptor for stress-inducible MICA. Science 285: 727-730)。ヒトNKG2D分子は、C型レクチン様細胞外ドメインを有し、それは、その同起源のリガンド、84%配列同一性又は相同性の、モノマーMICA及びMICB、主要組織適合性複合体(MHC)クラスI鎖関連糖タンパク質(MIC)の多形性アナログに結合する(Weis et al. 1998. The C-type lectin superfamily of the immune system. Immunol. Rev. 163: 19-34; Bahram et al. 1994. A second lineage of mammalian MHC class I genes. PNAS 91: 6259-6263; Bahram et al. 1996a. Nucleotide sequence of the human MHC class I MICA gene. Immunogenetics 44: 80-81; Bahram and Spies TA. 1996. Nucleotide sequence of human MHC class I MICB cDNA. Immunogenetics 43: 230-233)。MICA及びMICBの非病理学的発現は、腸の上皮、角化細胞、内皮細胞及び単球に限定されるが、これらのMICタンパク質の異常な表面発現は、多くのタイプの細胞のストレス、例えば、増殖、酸化及びヒートショックなどに対する応答で起こり、細胞を病的であると表示する(Groh et al. 1996. Cell stress-regulated human MHC class I gene expressed in GI epithelium. PNAS 93: 12445-12450; Groh et al. 1998. Recognition of stress-induced MHC molecules by intestinal γδΤ cells. Science 279: 1737-1740; Zwirner et al. 1999. Differential expression of MICA by endothelial cells, fibroblasts, keratinocytes and monocytes. Human Immunol. 60: 323-330)。MICタンパク質の病理学的発現は、幾つかの自己免疫疾患にも関与しているように思われる(Ravetch, JV and Lanier LL. 2000. Immune Inhibitory Receptors. Science 290: 84-89; Burgess, SJ. 2008. Immunol. Res. 40: 18-34)。NKG2Dリガンド、例えば、多形性のMICA及びMICBなどの特異な調節は、免疫系に、広範囲の緊急事態の合図を確認して応答する手段を、健常な細胞を望ましくない攻撃からなお保護しながら提供するために重要である(Stephens HA, (2001) MICA and MICB genes: can the enigma of their polymorphism be resolved? Trends Immunol. 22: 378-85; Spies, T. 2008. Regulation of NKG2D ligands: a purposeful but delicate affair. Nature Immunol. 9: 1013-1015)。

ウイルス感染は、MICタンパク質発現の共通の誘発要因であり、NK又はT細胞による攻撃のために、ウイルスに感染した細胞が識別される(Groh et al. 1998; Groh et al. 2001. Co-stimulation of CD8+αβΤ-cells by NKG2D via engagement by MIC induced on virus-infected cells. Nat. Immunol. 2: 255-260; Cerwenka, A., and L.L. Lanier. 2001)。実際、その宿主細胞に対するそのような攻撃を避けるために、サイトメガロウイルス及び他のウイルスは、生来の免疫系の猛威を逃れるために、それらが感染した細胞の表面におけるMICタンパク質の発現を防止する機構を発達させている(Lodoen, M., K. Ogasawara, J.A. Hamerman, H. Arase, J. P. Houchins, E.S. Mocarski, and L.L. Lanier. 2003. NKG2D-mediated NK cell protection against cytomegalovirus is impaired by gp40 modulation of RAE-1 molecules. J. Exp. Med. 197: 1245-1253; Stern-Ginossar et al., (2007) Host immune system gene targeting by viral miRNA. Science 317: 376-381; Stern-Ginossar et al., (2008) Human microRNAs regulate stress-induced immune responses mediated by the receptor NKG2D. Nature Immunology 9: 1065-73; Slavuljica, I A Busche, M Babic, M Mitrovic, I Gasparovic, D Cekinovic, E Markova Car, EP Pugel, A Cikovic, VJ Lisnic, WJ Britt, U Koszi
nowski, M Messerle, A Krmpotic and S Jonjic. 2010. Recombinant mouse cytomegalovirus expressing a ligand for the NKG2D receptor is attenuated and has improved vaccine properties. J. Clin. Invest. 120: 4532-4545)。

それらのストレスにもかかわらず、多くの悪性細胞、例えば、肺癌及び膠芽腫脳癌の細胞などは、MICタンパク質の発現も回避して、結果として、それらが生来の免疫系も逃れるので、特に攻撃的であり得る(Busche, A et al. 2006, NK cell mediated rejection of experimental human lung cancer by genetic over expression of MHC class I chain-related gene A. Human Gene Therapy 17: 135-146; Doubrovina, ES, MM Doubrovin, E Vider, RB Sisson, RJ O'Reilly, B Dupont, and YM Vyas, 2003. Evasion from NK Cell Immunity by MHC Class I Chain-Related Molecules Expressing Colon Adenocarcinoma (2003) J. Immunology 6891-99; Friese, M. et al. 2003. MICA/NKG2D-mediated immunogene therapy of experimental gliomas. Cancer Research 63: 8996-9006; Fuertes, MB, MV Girart, LL Molinero, CI Domaica, LE Rossi, MM Barrio, J Mordoh, GA Rabinovich and NW Zwirner. (2008) Intracellular Retention of the NKG2D Ligand MHC Class I Chain-Related Gene A in Human Melanomas Confers Immune Privilege and Prevents NK Cell-Mediated Cytotoxicity. J. Immunology, 180: 4606 -4614)。

NKG2Dに結合したヒトMICAの高い分割構造は解明されており、MICAのα3ドメインはNKG2Dと直接相互作用を有しないことが示されている(Li et al. 2001. Complex structure of the activating immunoreceptor NKG2D and its MHC class I-like ligand MICA. Nature Immunol. 2: 443-451; Protein Data Bank accession code 1HYR)。MICAのα3ドメインは、MICBのドメインのように、短い可撓性リンカーペプチドにより、α1-α2プラットホームドメインに接続されて、それ自体、MICを発現する細胞のプラットホームと表面の間の「スペーサー」として、自然の力で位置する。ヒトMICA及びMICBα3ドメインの3次元構造は、ほとんど同一であり(94C-ααの上で距離の2乗の平均の平方根<1Å)、機能的に互換性である(Holmes et al. 2001. Structural Studies of Allelic Diversity of the MHC Class I Homolog MICB, a Stress-Inducible Ligand for the Activating Immunoreceptor NKG2D. J Immunol. 169: 1395-1400)。

天然α1-α2ドメインよりも高い親和性で、天然ヒトNKG2D受容体に結合するように改変されたNKG2Dリガンドのある種の非天然α1-α2ドメインが記載された(Candice S. E. Lengyel, Lindsey J. Willis, Patrick Mann, David Baker, Tanja Kortemme, Roland K. Strong and Benjamin J. McFarland. Mutations Designed to Destabilize the Receptor-Bound Conformation Increase MICA-NKG2D Association Rate and Affinity. Journal of Biological Chemistry Vol. 282, no. 42, pp. 30658-30666, 2007; Samuel H. Henager, Melissa A. Hale, Nicholas J. Maurice, Erin C. Dunnington, Carter J. Swanson, Megan J. Peterson, Joseph J. Ban, David J. Culpepper, Luke D. Davies, Lisa K. Sanders, and Benjamin J. McFarland. Combining different design strategies for rational affinity maturation of the MICA-NKG2D interface. Protein Science 2012 VOL 21: 1396-1402)。本明細書において、本発明者らは、非天然のNKG2D受容体を結合するように改変されて、それら自体は、続く結果としてNKG2Dリガンドの天然α1-α2ドメインに対する結合の弱体化又は消失を生じる部位で変位したNKG2Dリガンドの非天然α1-α2ドメインを記載している(David J. Culpepper, Michael K. Maddox, Andrew B. Caldwell, and Benjamin J. McFarland. Systematic mutation and thermodyn
amic analysis of central tyrosine pairs in polyspecific NKG2D receptor interactions. Mol Immunol. 2011 January ; 48(4): 516-523; USPTO application 14/562,534; USPTO provisional application 62/088,456))。本発明は、特異的に改変された非天然α1-α2ドメインで構成されて、異種ペプチド又はポリペプチドを含むが、これらに限定されない異種分子を特異的に標的とする二重特異性分子を創り出し、それはキメラ抗原受容体(CAR)を結合し、CARの受容体は、改変されたα1-α2ドメインに、天然α1-α2ドメインより大きい親和性で結合する非天然のNKG2D受容体外部ドメインで構成される。そのようなCARで構成される免疫系の遺伝子操作された細胞は、よって、以下に記載される現行のCAR-T及びCAR-NK細胞療法の既知の重症の全身性毒性及び抗原逃避を含む多くの不利点を克服することができる(Kalos M, Levine, BL, Porter, DL, Katz, S, Grupp, SA, Bagg, A and June, C.. T Cells with chimeric antigen receptors have potent antitumor effects and can establish memory in patients with advanced leukemia. Sci Transl Med 2011;3: 95ra73; Morgan RA, Yang JC, Kitano M, Dudley ME, Laurencot CM, Rosenberg SA. Case report of a serious adverse event following the administration of T cells transduced with a chimeric antigen receptor recognizing ERBB2. Mol Ther 2010, 18: 843-851; Gill and June 2015)。

T細胞及びNK細胞は、遺伝子導入技術を使用して改変することができ、直接及び安定にそれらの表面に、新規な抗原特異性を与える抗体の結合ドメインを発現する(Saar Gill & Carl H. June. Going viral: chimeric antigen receptor T-cell therapy for hematological malignancies. Immunological Reviews 2015. Vol. 263: 68-89; Wolfgang Glienke, Ruth Esser, Christoph Priesner, Julia D. Suerth, Axel Schambach, Winfried S. Wels, Manuel Grez, Stephan Kloess, Lubomir Arseniev and Ulrike Koehl. 2015. Advantages and applications of CAR-expressing natural killer cells. Front. Pharmacol, doi: 10.3389/fphar.2015.00021)。CAR-T細胞は、特異的抗体の抗原認識ドメインと内生のT細胞受容体(TCR)からのシグナルの第一次の伝達物質であるCDB-ζ鎖の細胞内ドメインとを組み合わせて、共刺激分子、例えば、CD27、CD28、ICOS、4-1BB、又はOX40などと一緒に単一のキメラタンパク質にするこの手法の応用である、図16。そのように構築されたCARは、内生のT細胞受容体と同様な様式で、しかし主要組織適合性複合体(MHC)とは独立に、標的にされた抗原に結合するとT細胞活性化を誘因することができる。

本明細書において使用する、「可溶性MICタンパク質」、「可溶性MICA」及び「可溶性MICB」は、MICタンパク質のα1、α2、及びα3ドメインを含有するが、膜貫通型又は細胞内ドメインは有しないMICタンパク質を指す。NKG2Dリガンド、ULBP1-6は、α3ドメインを天然には有しない(Cerwenka A, Lanier LL. 2004. NKG2D ligands: unconventional MHC class I-like molecules exploited by viruses and cancer. Tissue Antigens 61 (5): 335-43. doi: 10.1034/j. l399-0039.2003.00070.x. PMID 12753652)。NKG2Dリガンドの「α1-α2ドメイン」とは、NKG2D受容体に結合するリガンドのタンパク質ドメインを指す。

幾つかの実施形態において、本発明の非天然のNKG2Dリガンドタンパク質のα1-α2ドメインは、NKG2Dリガンド(配列番号36〜54)の自然のままの又は天然のα1-α2ドメインと少なくとも80%同一性又は相同性である。他の実施形態では、改変されたα1-α2ドメインは、NKG2Dリガンドの自然のままの又は天然α1-α2ドメインと85%同一性である。さらに他の実施形態では、改変されたα1-α2ドメインは、天然のNKG2Dリガンドタンパク質の自然のままの又は天然α1-α2ドメインと90%同一性であり、非天然のNKG2Dに結合する。

可溶性MICタンパク質のα1-α2プラットホームドメインは、α3ドメインにつながれており、哺乳動物の細胞内又は脈管内の空間に拡散することができる。好ましくは、本発明の非天然MICタンパク質のα1-α2プラットホームドメインは、ヒトMICA又はMICBタンパク質の自然のままの又は天然α1-α2ドメインと少なくとも80%同一性又は相同性であり、NKG2Dに結合する。幾つかの実施形態において、該α1-α2プラットホームドメインは、ヒトMICA又はMICBタンパク質の自然のままの又は天然α1-α2プラットホームドメインと85%同一性であり、NKG2Dに結合する。他の実施形態では、該α1-α2プラットホームドメインは、ヒトMICA又はMICBタンパク質の自然のままの又は天然α1-α2プラットホームドメインと90%、95%、96%、97%、98%、又は99%同一性であり、NKG2Dに結合する。

幾つかの実施形態において、可溶性MICタンパク質の精製に役立てるために、異種ペプチドのタグをα1-α2ドメイン又は可溶性MICタンパク質のN末端又はC末端に融合させることができる。タグの配列は、ペプチド、例えば、ポリヒスチジン、myc-ペプチド又はFLAGタグなどを含む。そのようなタグは、MIC分子の単離後、当業者に知られている方法により除去することができる。

本発明の他の実施形態では、NKG2Dリガンドのα1-α2ドメインで特異的変異を起こさせて、非天然のNKG2D受容体に結合して、それ自体は、天然のNKG2Dリガンドに対する親和性が低下しているように操作された非天然α1-α2ドメインを創り出すことができる。これは、例えば、遺伝子操作により行うことができる。そのように改変された非天然のNKG2D受容体は、免疫系のNK又はT細胞の表面に、発明された非天然α1-α2ドメインを含む分子に優先的に結合してそれにより活性化され得るNKG2Dベースのキメラ抗原受容体(CAR)を創り出すために使用することができる。非天然のNKG2D受容体及びそれらの発明された同起源の非天然のNKG2Dリガンドのこれらの対は、以下で記載するように、現行のCAR-T細胞及びCAR-NK細胞と比較して、癌及びウイルスの感染を治療するために重要な安全性、効力、及び製作上の利点を提供するであろう。

T細胞をCARで操作することが、癌のための養子T細胞療法に対する将来有望な手法として出現しており、多くの異なった分子を標的とするCARが、悪性腫瘍に対する療法としてCAR-T細胞で試験された(Porter DL, Levine BL, Kalos M,, Bagg A, June CH. Chimeric antigen receptor-modified T cells in chronic lymphoid leukemia. N Engl J Med. 365: 725-733)。著しい臨床的効力が、CD19-特異的キメラ抗原受容体を発現するT細胞の養子移入を受ける何百名の患者で観察されたが、注文に応じて特異的抗原を標的とするようにCARを操作するプロセス、患者から自家T細胞を単離するプロセス、自家T細胞を個人仕様のCARを発現するように遺伝子操作するプロセス、該改変された細胞をインビトロで増加させるプロセス、及び品質、それらの産生を制御するプロセスは、全て、煩わしく且つ不経済であった。現在、これは、広範囲の専門技術及び資源を有する大規模な学術的センターに関してのみ実現可能である(Gill & June, 2015)。

自家CAR-T細胞が供与者である患者に注入で戻されたら、それらのインビボにおける増加は制御できず、「生体内療法」、効力に関する用量-応答関係はない(Gill & June, 2015)。さらに、腫瘍はCAR T細胞から逃避して、抗原消失による逃避が起こり得る(Stephan A. Grupp, M.D., Ph.D., Michael Kalos, Ph.D., David Barrett, M.D., Ph.D., Richard Aplenc, M.D., Ph.D., David L. Porter, M.D., Susan R. Rheingold, M.D., David T. Teachey, M.D., Anne Chew, Ph.D., Bernd Hauck, Ph.D., J. Fraser Wright, Ph.D., Michael C. Milone, M.D., Ph.D., Bruce L. Levine, Ph.D., and Carl H. June, M.D. Chimeric Antigen Receptor-Modified T Cells for Acute Lymphoid Leukemia. N Engl J Med 2013;368: 1509-1518)。そしてこの逃避経路は、別様に標的を定めたCAR-T細胞を用いる逐次療法により、又は2つ以上の特異性のCAR、さらに複雑な製作プロセス及び品質管理を含むT細胞製品の初期注入により、最も容易に対処することができる。

単鎖抗体結合ドメイン(scFv)を用いて腫瘍を標的とするCAR-T細胞に加えて、NKG2D受容体のリガンド結合ドメインを使用するCAR-T細胞が、動物で及び近年ヒトで研究された(Sentman CL, Meehan KR. NKG2D CARs as cell therapy for cancer. Cancer J. 2014 Mar- Apr;20(2): 156-9. doi: 10.1097/PPO.0000000000000029; Manfred Lehner, Gabriel Gotz, Julia Proff, Niels Schaft, Jan Dorrie, Florian Full, Armin Ensser, Yves A. Muller, Adelheid Cerwenka, Hinrich Abken, Ornella Parolini, Peter F. Ambros, Heinrich Kovar, Wolfgang Holter. Redirecting T Cells to Ewing's Sarcoma Family of Tumors by a Chimeric NKG2D Receptor Expressed by Lentiviral Transduction or mRNA Transfection Research Article / published 15 Feb 2012 / PLOS ONE 10.1371/journal.pone.0031210; www.clinicaltrials.gov NCT02203825)。NKG2Dリガンドの発現は、ストレスをかけられた細胞、例えば、腫瘍細胞などの表面で増大するので、このファミリーの天然のNKG2Dリガンドは、癌の免疫療法の標的として大いなる関心事である(Spear P, Wu MR, Sentman ML, Sentman CL. NKG2D ligands as therapeutic targets. Cancer Immun. 2013 May 1;13: 8.; Song DG, Ye Q, Santoro S, Fang C, Best A, Powell DJ Jr., Chimeric NKG2D CAR-expressing T cell-mediated attack of human ovarian cancer is enhanced by histone deacetylase inhibition. Hum Gene Ther. 2013 Mar;24(3): 295-305)。1つのNKG2D CARは全長NKG2D受容体とCD3ζ(NKG2Dζ)との融合体であった。別のものは、反対の向きでCD28からの膜貫通型及び細胞内ドメイン並びにCD3ζのシグナル伝達ドメイン(NKG2D28ζ)で構成される第2世代のCAR足場と融合したNKG2Dの外部ドメインのみを有するものであった。NKG2Dの活性化は、DAP10の存在に依存するので、DAP10がNKG2Dζ(NKG2Dζ10)と共発現された、CAR-T細胞も構築された。上記のNKG2D CARのいずれかを発現するT細胞が、IFNγを産生して、TNFαがNKG2Dリガンドの刺激に応答して、インビトロでNKG2Dリガンドを発現している腫瘍標的を効率的に死滅させた(Heather VanSeggelen, Joanne A. Hammill, Anna Dvorkin-Gheva, Daniela G.M. Tantalo, Jacek M. Kwiecien, Galina F. Denisova, Brian Rabinovich, Yonghong Wan, Jonathan L. Bramson, T cells engineered with chimeric antigen receptors targeting NKG2D ligands display lethal toxicity in mice, Molecular Therapy accepted article preview online 30 June 2015; doi: 10.1038/mt.2015.119)。腫瘍サブタイプの広範なスペクトルに対するNK細胞の細胞傷害性の可能性は、NKG2D-DAP10-CD3ζに基づくCARの発現によっても著しく増強することができた(Yu-Hsiang Chang, John Connolly, Noriko Shimasaki, Kousaku Mimura, Koji Kono, and Dario Campana. Chimeric Receptor with NKG2D Specificity Enhances Natural Killer Cell Activation and Killing of Tumor Cells. Cancer Res; 73(6) March 15, 2013)。

しかしながら、同系のマウスの宿主に注入した後、天然のNKG2D受容体の天然リガンドに結合してそれにより活性化されるこれらのCAR-T構築物で、有意な毒性が生じた。NKG2DベースのCAR-T細胞で治療された腫瘍を有するマウス及び腫瘍を有しないマウスでは、治療されない対照のマウスと比較して、身体状態の不良を含む毒性の徴候、弓なりに曲がった姿勢、呼吸困難、及び低下した深部体温が観察された。NKG2D CAR-T細胞毒性の重症度はさまざまで、NKG2Dζ10は猛烈に毒性で、NKG2D28ζは中間毒性を示し、及びNKG2Dζは耐えられるものであった。毒性の臨床的症状及び死亡率は、マウスが、NKG2D CARのいずれかを発現するT細胞の養子移入に先立って化学療法を受けていた場合に悪化した(VanSeggelen et al. 2015)。化学療法及び放射線照射は、そうでなければ健常な組織でNKG2Dリガンドを誘発することが知られている(Xiulong Xu, Geetha S Rao, Veronika Groh, Thomas Spies, Paolo Gattuso, Howard L Kaufman, Janet Plate and Richard A Prinz. Major histocompatibility complex class I-related chain A/B (MICA/B) expression in tumor tissue and serum of pancreatic cancer: Role of uric acid accumulation in gemcitabine-induced MICA/B expression. BMC Cancer 2011, 11: 194 doi: 10.1186/1471-2407-l l-194; Gannage M, Buzyn A, Bogiatzi SI, Lambert M, Soumelis V, Dal Cortivo L, Cavazzana-Calvo M, Brousse N, Caillat-Zucman Induction of NKG2D ligands by gamma radiation and tumor necrosis factor-alpha may participate in the tissue damage during acute graft-versus-host disease. Transplantation. 2008 Mar 27;85(6): 911-5. doi: 10.1097/TP.0b013e31816691ef)。さらなるキャラクタリゼーションにより、毒性は、全身性サイトカイン急発症状及び肺内における致死レベルの炎症と同時に起こることが明らかになった。これらのデータは、標的とされる免疫療法のために天然のNKG2Dリガンドを使用するときに極度の注意を払わなければならないことを警告し、且つCARを強く活性化するT細胞発現を増強することはインビボで有害であり得ることを示す(VanSeggelen et al, 2015)。

天然のNKG2Dリガンドに結合しないか又は弱くしか結合しない非天然のNKG2D受容体の外部ドメインを含むCAR-T細胞又はCAR-NK細胞は、上記の形態の活性化を受けないと思われ、したがって天然のNKG2D受容体に基づいてCARを発現する細胞のようには毒素を生じないであろう。さらに、細胞上の非天然のNKG2D受容体の外部ドメインは、可溶性様式にあるか又は骨髄腫由来のサプレッサー細胞(MDSC)上にある天然のNKG2Dリガンドによる下方制御を受けないであろう(Deng W, Gowen BG, Zhang L, Wang L, Lau S, Iannello A, Xu J, Rovis TL, Xiong N, Raulet DH, 2015. Antitumor immunity. A shed NKG2D ligand that promotes natural killer cell activation and tumor rejection. Science. 2015 Apr 3;348(6230): 136-9. doi: 10.1126/science.1258867. Epub 2015 Mar 5)。しかしながら、非天然のNKG2D受容体の外部ドメインを有するそのようなCAR細胞が、本発明の同起源の非天然α1-α2ドメインを有する二重特異性分子、及びその意図される標的を見出して結合したその異種の標的とするモチーフにより束縛されている場合、CARは活性化さてCAR細胞のエフェクター機能が発現されるであろう。

非天然のNKG2D受容体外部ドメインを含むCAR-T細胞又はCAR-NK細胞は、同起源の非天然α1-α2ドメインを含む束縛された二重特異性分子の存在下にあるときを除いて活性化されないので、それらの活性化は、生物薬剤として当技術分野で周知の薬物動態及び薬力学を示す投与された二重特異性分子により制御することができる。有害な事象が発生する事象で、医師は、現在行われているように、注入されたCAR細胞を破壊する誘発される自殺機構を活用しなければならないよりも寧ろ、投与される二重特異性分子の投薬治療計画を単に修正することができる(Monica Casucci and Attilio Bondanza. Suicide Gene Therapy to Increase the Safety of Chimeric Antigen Receptor-Redirected T Lymphocytes. J Cancer. 2011; 2: 378-382)。さらに、そのような異なった特異的標的を設定するモチーフを有する二重特異性分子は、同時に又は順次に投与されて、腫瘍の耐性及び標的抗原の消失の結果としての逃避に対処することを助けることができるので、複数の異なった自家CAR細胞を創り出し、増加させて注入する必要がない(Gill & June, 2015)。全てのCAR構築物は、全てのCAR細胞及び本発明の産生される二重特異性分子の標的を設定するモチーフにより簡単に決定される標的特異性について同一であり得るので、製作プロセスは単純化されて費用は抑えられるであろう。

したがって、本発明は、CAR-T細胞及びCAR-NK細胞で癌を処理する、この著しく非常に将来有望な免疫学的手法の多様性及び実用性を拡大して、一方、これらの現在認識されている困難の多くを克服する。

本明細書において使用する「ペプチド」、「ポリペプチド」、及び「タンパク質」は、互換的に使用され、「異種分子」、「異種ペプチド」、「異種配列」又は「異種原子」は、それぞれ、天然に又は自然に主題の分子と物理的連結で見出されることがない分子、ペプチド、核酸若しくはアミノ酸配列、又は原子である。本明細書において使用する、「非天然」及び「改変された」は、互換的に使用される。本明細書において使用する「天然」及び「自然のままの」は、互換的に使用され、「NKG2D」及び「NKG2D受容体」は、互換的に使用される。本明細書で使用される用語「抗体」は、広い意味で使用されて、モノクローナル抗体、多重特異性抗体(例えば、二重特異性抗体)及び、それらが所望の生物学的活性を示す限り、抗体フラグメントを特異的に包含する。「抗体フラグメント」は、完全な抗体の一部分を含み、好ましくはそれらの抗原結合領域を含む。抗体フラグメントの例として、Fab、Fab'、F(ab')₂、及びFvフラグメント;二重特異性抗体;線状抗体;単鎖抗体分子;及び抗体フラグメントから形成された多重特異的抗体が含まれる。

「を含む(including)」、「を含有する(containing)」又は「によって特徴付けられる(characterized by)」と互換的に使用される用語「を含む(comprising)」は、包括的又はオープンエンドの言語であって、追加の、列挙されていない要素又は方法のステップを排除しない。「からなる(consisting of)」というフレーズは、その請求で明記されていない如何なる要素、ステップ、又は成分も排除する。「から本質的になる(consisting essentially of)」というフレーズは、請求の範囲を、明記された材料又はステップ及び請求される発明の基本的及び新規な特性に実質的に影響しないそれらに限定する。本開示は、これらのフレーズの各々の範囲に対応する本発明の組成物及び方法の実施形態を予測する。したがって、列挙された要素又はステップを含む組成物又は方法は、該組成物又は方法が、これらの要素又はステップから本質的になるか又はそれらからなる特定の実施形態を予測する。

本明細書で挙げた全ての引用文献は、以前に明確に組み込まれたか否かにかかわらず、それらの全体で参照により本明細書に組み込まれる。本明細書において使用する、用語「a」、「an」、及び「any」は、各々、単数及び複数の両方の形態を含むことが意図されている。

以下、本発明の実施形態を示す。
（１）天然α1-α2ドメインと少なくとも80%の同一性を有する、天然のNKG2Dリガンド分子の非天然の改変されたα1-α2ドメインであって、前記改変されたα1-α2ドメインは、天然α1-α2ドメインの1つ以上のアミノ酸が置き換えられており、前記改変は非天然のNKG2D受容体の外部ドメインに対するその結合親和性を増大させ、前記非天然のNKG2D受容体の外部ドメインは、天然のNKG2Dリガンドに対する親和性が、前記天然のNKG2Dリガンドに対する天然のNKG2D受容体外部ドメインの親和性未満である、前記非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
（２）前記天然のNKG2Dリガンドが配列番号３６、４３及び４９〜５４のいずれか1つである、（１）記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
（３）前記天然α1-α2ドメイン中で置き換えられたアミノ酸が、配列番号３６又は４３の位置69、71、72、74、125、152、154、155、156、157、158、159及び161の3箇所以上のアミノ酸である、（１）記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
（４）配列番号９０又は９１のアミノ酸配列を含む、（３）記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
（５）前記天然α1-α2ドメインから置き換えられたアミノ酸が、配列番号１６の位置8、80、151、154、155、156、157、158及び159の3箇所以上のアミノ酸である、（１）記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
（６）前記天然α1-α2ドメインから置き換えられたアミノ酸が、配列番号１７の位置103、155、156、157、158、159、162及び165の3箇所以上のアミノ酸である、（１）記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
（７）配列番号９２、９３又は９４のアミノ酸配列を含む、（５）記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
（８）配列番号９５又は９６のアミノ酸配列を含む、（６）記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
（９）前記非天然のNKG2D受容体の外部ドメインが配列番号７５のアミノ酸配列を含むが、配列番号７５の位置73におけるチロシンが別のアミノ酸で置き換えられている、（１）記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
（１０）チロシンを置き換えた前記アミノ酸がアラニンである、（９）記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
（１１）標的を設定している取り付けられた異種分子をさらに含み、それにより二重特異性分子を創り出している、（１）記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
（１２）前記異種分子がペプチド又はポリペプチドである、（１１）記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
（１３）前記ポリペプチドが抗体又は抗体フラグメントである、（１２）記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
（１４）哺乳動物細胞に取り付けられている、（１）記載の非天然のNKG2D受容体の外部ドメイン。
（１５）前記細胞がリンパ球である、（１４）記載の非天然のNKG2D受容体の外部ドメイン。
（１６）前記リンパ球がヒトリンパ球である、（１５）記載の非天然のNKG2D受容体の外部ドメイン。
（１７）前記標的を設定している異種分子が、非天然のNKG2D受容体の外部ドメインが取り付けられている哺乳動物細胞に送達される、（１１）記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
（１８）前記非天然のNKG2D外部ドメインを発現する細胞の活性化の増強を示すことで、細胞に送達された天然又は自然のままのα1-α2ドメインを有する天然のNKG2Dリガンド又は二重特異性分子よりも大きい標的細胞死滅効果を示す細胞を生じる、（１７）記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
（１９）前記天然のNKG2D外部ドメインを発現する細胞の活性化よりも大きい、前記非天然のNKG2D外部ドメインを発現する細胞の活性化を示すことで、天然のNKG2D外部ドメインを発現する細胞よりも大きい標的細胞死滅効果を示す非天然のNKG2D外部ドメインを発現する細胞を生じる、（１８）記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
（２０）前記天然のNKG2D外部ドメインを発現する細胞の活性化よりも大きい、前記非天然のNKG2D外部ドメインを発現する細胞の活性化を示すことで、天然のNKG2D外部ドメインを発現する細胞よりも弱い毒性を示す非天然のNKG2D外部ドメインを発現する細胞を生じる、（１８）記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
今や本発明を完全に説明したので、広範囲の等価のパラメーター、濃度、及び条件内で、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、また、過度の実験を行うことなく、本発明が実施され得ることが、当業者により認識されるであろう。本発明を、それらの具体的な実施形態と関連して説明したが、それがさらに改変され得ることは理解されるであろう。本出願は、一般的に本発明の原理に従う本発明の如何なる変形、使用、又は適合も包含して、本発明が関係する分野内で既知の又は慣習的な実行内に入る、本明細書で前に説明された必須の特徴に適用され得る本開示からのそのような逸脱も含むことが意図される。

iFv及びNKG2Dリガンドの改変されたα1-α2ドメインの実施例
[実施例1]
(iFv)
具体的な例として、本発明者らは、以下の順でコードする1126bp及び1144bpのDNAフラグメント(それぞれ、配列番号l及び2)を合成した:ヒトMICA(親ペプチドとして)のα3ドメインのアミノ酸182からアミノ酸194まで(α3ドメインのループ1の開始)、スペーサーなし又はGGSアミノ酸のスペーサー領域(SR)、線維芽細胞増殖因子受容体3(FGFR3)-結合抗体の構造ベースのiFvペプチド(MAbR3; Qing, J., Du, X., Chen, Y., Chan, P., Li, H., Wu, P., Marsters, S., Stawicki, S., Tien, J., Totpal, K., Ross, S., Stinson, S., Dornan, D., French, D., Wang, Q. R., Stephan, J. P., Wu, Y., Wiesmann, C, and Ashkenazi, A. (2009) Antibody-based targeting of FGFR3 in bladder carcinoma and t(4;14)-positive multiple myeloma in mice, The Journal of clinical investigation 119, 1216-1229.)、スペーサーなし又は別のGGSスペーサー領域、可溶性MICA分子のアミノ酸196で開始して、アミノ酸276までのα3ドメインの残りのカルボキシ末端部分を含むα3ドメインのループ1の遠位の部分。続いて、各合成された二重らせんDNAポリヌクレオチドが、MICAのα3ドメインのループ1中に挿入されたiFvの形態にある6個のCDRを含有するポリペプチドをコードした。

配列番号4によりコードされるこのiFvペプチド自体(配列番号3)は、残基GGSSRSSSSGGGGSGGGG(配列番号5)に対応する2つの同一の、典型的なリンカー領域(LR)を含有した(Andris-Widhopf, J., Steinberger, P., Fuller, R., Rader, C, and Barbas, C. F., 3rd. (2011) Generation of human Fab antibody libraries: PCR amplification and assembly of light- and heavy-chain coding sequences, Cold Spring Harbor protocols 2011)。1つのLRは、VLのC末端からVHドメインのN末端までをつなぎ、第2のLRは、VHドメインのC末端からVLのN末端までをつないだ。概念的に、この新しい構造は、連続した又は上記で参照した「円形の」ペプチドであり、元のFvの6個のCDRを含有した。該抗体の可変VL鎖は、ベータ-ストランド1と2(S1及びS2)の間のループ領域内で効果的に分裂して、それによりそれぞれ、新しい非天然C及びN末端の対を伴って、新しいN末端セグメント(VLN)及び新しいC末端セグメント(VLC)を創り出した、図5のパネルA。末端のこの対は、受容分子、例えばタンパク質などに対するiFvの取り付け又は複合体化のための唯一の部位を創った。親α3ドメインに挿入されたiFvの模式図を図5のパネルBに示す。

異種iFvペプチドがα3ドメイン中に挿入された可溶性MICAタンパク質を産生させるために、本発明者らは、α3-iFv.l(配列番号6)及びα3-iFv.2(配列番号7)を、それぞれコードするDNA配列(配列番号l及び2)を入れたバキュロウイルスの発現ベクターを生成した。該DNAフラグメントをPCRにより増幅し、Ncol及びEcoRI制限酵素を使用して消化して、バキュロウイルスの発現ベクター、SW403中でサブクローニングし、野生型α3ドメインを置き換えた。SW403はpVL1393(Invitrogen、Inc.)から誘導されたバキュロウイルスの発現ベクターであり、その中に野生型sMICA(残基1〜276)が予め5'BamHI及び3'EcoRI部位を使用してクローニングされている。上記の新しい発現ベクターをバキュロウイルスのDNAとSF9昆虫細胞中に共トランスフェクトして、バキュロウイルスを2回の増幅サイクルで成長させて、メーカーのプロトコル(Invitrogen)に従って、Hisタグ付きMICA-α3-iFvタンパク質をT.ni昆虫細胞中で発現させるために使用した。発現は、100mL体積で3日間実施して、分泌された可溶性タンパク質をNi-アフィニティークロマトグラフィーを使用して精製するために、成長培地を収穫した。モノマー状MICA-α3-iFvを>90%純度に精製し、期待される60.9kDaの分子量をSDS-PAGEによって決定した。機能的キャラクタリゼーションを、結合ELISA及びインビトロ標的細胞死滅アッセイを使用して実施した。

精製されたMICA-α3-iFvタンパク質をFGFR3-結合ELISAで試験して、FGFR3標的及びNKG2D受容体に対する同時の結合を確認した。リン酸塩緩衝生理食塩水(PBS)中のFGFR3をMaxisorpプレート上に2ug/mlの濃度でコートした。各MICAタンパク質を滴定して、FGFR3に1時間結合させて洗浄し、結合していないsMICAタンパク質を除去した。結合したMICA-α3-iFvタンパク質を、NKG2D-Fc及び抗Fc-HRP複合体を使用して検出した。図6に、MICA-α3-iFv.1及びMICA-α3-iFv.2の両方のFGFR3に対する結合が、可溶性MICAのC末端にMAbR3から構築された在来のscFvを融合させることにより作製されたMICA-scFvの結合と同程度であったことを示す。これらのELISAの結果は、scFv及びα1-α2ドメインの、FGFR3及びNKG2Dの両方を結合する特異性が、それぞれ、改変されたMICAによって保持されたことも示し、異なったスペーサー様式を使用して挿入されたiFvペプチドも機能的であったことも示した。

本発明者らは、sMICA-α3-iFv.2の熱安定性を試験して、sMICA-scFvのそれと比較した。両方のタンパク質を1時間60〜90℃に上昇する温度にさらして、次に室温にして1時間平衡させた後、結合特性をELISAによってアッセイした。図7の結果は、MICA-α3-iFv.2は、FGFR3に対する特異的結合を失わずに80℃のような高い温度にさらすことができることを示した。在来のMICA-scFvは70℃で結合活性を失った。この結果は、発明されたiFv様式を含有する可溶性MICAは、在来のscFvの末端融合より顕著に安定であることを示した(Miller, B. R., Demarest, S. J., Lugovskoy, A., Huang, F., Wu, X., Snyder, W. B., Croner, L. J., Wang, N., Amatucci, A., Michaelson, J. S., and Glaser, S. M. (2010) Stability engineering of scFvs for the development of bispecific and multivalent antibodies, Protein engineering, design & selection : PEDS 23, 549-557; Weatherill, E. E., Cain, K. L., Heywood, S. P., Compson, J. E., Heads, J. T., Adams, R., and Humphreys, D. P. (2012) Towards a universal disulphide stabilised single chain Fv format: importance of interchain disulphide bond location and vL-vH orientation, Protein engineering, design & selection : PEDS 25, 321-329)。

NK細胞に媒介されるFGFR3を発現する標的細胞の溶解を変えるMICA-α3-iFvの能力は、インビトロのカルセイン放出アッセイで示された。ナチュラルキラー(NK)細胞ライン、NKLを、FGFR3を細胞外に発現するカルセイン添加P815標的細胞と共培養した。図8の結果は、これら2種のMICA-α3-iFv分子が、在来のMICA-scFv融合体と比較して有意に大きいNKに媒介される溶解を誘発したが、一方、標的としない可溶性MICA対照は死滅活性を有しなかったことを示した。これらの結果により、発明されたiFvは、標的細胞上のFGFR3に結合して、完全な親タンパク質分子、可溶性MICAに関して、強いNK細胞に媒介される溶解を誘発したことが確認された。

他の抗体可変ドメインに対するiFv様式の適用の可能性は、CD20-特異的抗体から誘導されたiFvを含有するα3-iFv.3(配列番号8)を同様に構築することにより示された(Du, J., Wang, H., Zhong, C., Peng, B., Zhang, M., Li, B., Huo, S., Guo, Y., and Ding, J. (2007) Structural basis for recognition of CD20 by therapeutic antibody Rituximab, The Journal of biological chemistry 282, 15073-15080)。図9は、MICA-α3-iFv.3が、上記で記載されたプレートベースのELISAで、CD20をコートされたウェルに特異的に結合することができ、カルセイン放出アッセイでもNKに媒介されるCD20を発現するRamos細胞の溶解を誘発したことを示す。

[実施例2]
(NKG2Dリガンドの改変されたα1-α2ドメイン)
ULBP-1からULBP-6と命名されたヒトタンパク質は、MICA及びMICBのように、天然に生じる、ストレスで誘発される細胞表面のリガンドであり、それらは、ヒトNK細胞及びある種のT細胞上のNKG2D受容体に結合して、それらの細胞を活性化する(15; Cerwenka A, Lanier LL (2004). NKG2D ligands: unconventional MHC class I-like molecules exploited by viruses and cancer. Tissue Antigens 61 (5): 335-43. doi: 10.1034/j. l399-0039.2003.00070.x. PMID 12753652)。それに加えて、牛痘ウイルスタンパク質OMCPは、MICタンパク質のα1-α2ドメインのようにNKG2Dに結合する分泌されたドメインである。OMCPは、その感染された宿主細胞上のウイルスにより誘発された天然のストレスリガンドをNKG2Dが認識することを明らかに阻止するために、NKG2Dに対して非常に高い親和性を示す(Eric Lazear, Lance W. Peterson, Chris A. Nelson, David H. Fremont. J Virol. 2013 January; 87(2): 840-850. doi: 10.1128/JVI.01948-12)。ULBP及びOMCPは、標準的なα1-α2ドメイン構造を共有するNKG2Dリガンド(NKG2DL)と考えられるが、MICAα1-α2との配列相同性は、27%未満であり、それらは、全て、標的ドメインをつなぐためのα3ドメインを天然で欠いている。本発明者らは、ULBP-1、ULBP-2、ULBP-3、ULBP-4、ULBP-6及びOMCPの各々に、標的iFvが挿入されたMICAの改変されたα3ドメインを融合する結果として、FGFR3を発現する細胞を特異的に標的として死滅させた異種ポリペプチドを取り付けることにより、一連の非天然ULB及びOMCPタンパク質を構築した。それに加えて、本発明者らは、NKG2Dに対するα1-α2ドメインの親和性を増強するようにMICAのα1-α2ドメインを改変して、次に改変されたα1-α2ドメインに異種分子、例えばポリペプチドなどを取り付けた。改変されたα3-iFvドメインに取り付けられたULBP及びOMCPのα1-α2ドメインからなるタンパク質を産生させるために、本発明者らは、ULBP-1、ULBP-2、ULBP-3、ULBP-4、ULBP-6、及びOMCP(それぞれ、配列番号15〜20)の異なったα1-α2ドメインをコードするDNAフラグメント(配列番号9〜14)を入れたバキュロウイルスの発現ベクターを生成した。該DNAフラグメントをPCRにより増幅して、BlpI及びNcoI制限酵素を使用して消化し、個別にバキュロウイルスの発現ベクターKLM44中にサブクローニングして、MICAα1-α2ドメインを置き換えた。KLM44は、SW403から誘導された、MICA-α3-iFv.2が予めクローニングされている(例1)バキュロウイルスの発現ベクターであった。ULBP及びOMCPのα1-α2ドメインとα3-iFv.2との融合体(ULBPl-α3-iFv.2、ULBP2-α3-iFv.2、ULBP3-α3-iFv.2、ULBP4-α3-iFv.2、ULBP6-α3-iFv.2、及びOMCP-α3-iFv.2;それぞれ配列番号21〜26)を含有する新しいNKG2DL-α3-iFv.2構築物を、バキュロウイルスのDNAとSF9昆虫細胞中に共トランスフェクトした。バキュロウイルスを、2回の増幅サイクルで成長させて、これらのHisタグ付きNKG2DL-α3-iFv.2タンパク質を、メーカーのプロトコル(Invitrogen)に従って、T.ni昆虫細胞中で発現させるために使用した。発現は、100mL体積で3日間実施して、Ni-アフィニティークロマトグラフィーを使用して、分泌された可溶性タンパク質を精製するために、成長培地を収穫した。正しい分子量のモノマー状タンパク質を、>90%純度に精製し、SDS-PAGEにより決定した。機能的キャラクタリゼーションを、結合ELISA及びインビトロ標的細胞死滅アッセイを使用して実施した。

6種の精製されたNKG2DL-α3-iFv.2タンパク質をFGFR3-結合ELISAで試験して、FGFR3標的及びNKG2D受容体に対する同時結合を確認した。リン酸塩緩衝生理食塩水(PBS)中のFGFR3をMaxisorpプレート上に2ug/mlの濃度でコートした。各NKG2DL-α3-iFv.2タンパク質を滴定して、FGFR3に1時間かけて結合させて洗浄し、結合していないタンパク質を除去した。結合したNKG2DL-α3-iFv.2タンパク質を、NKG2D-Fc及び抗Fc-HRP複合体を使用して検出した。図10は、期待したように、6種の全てのNKG2DL-α3-iFv.2タンパク質がiFv.2ドメインとの相互作用を通して強くFGFR3に結合して、NKG2D結合活性が、取り付けられたNKG2DLα1-α2ドメインにより保持されていることを示し、そのことは、取り付けられたα3-iFvドメインが、機能的FGFR3結合活性をULBP及びOMPCタンパク質に付与して、それらがMICタンパク質のように、NKG2Dを結合することを示した。

NK細胞に媒介されるFGFR3を発現する標的細胞の溶解を変えるNKG2DL-α3-iFv.2タンパク質の能力は、インビトロのカルセイン放出アッセイで示された。ナチュラルキラー(NK)細胞ライン、NKLを、FGFR3を細胞外に発現するカルセイン添加P815標的細胞と共培養した。図11における結果により、OMCP-α3-iFv.2が、最大のNKに媒介される溶解を誘発したが、一方、他のNKG2DL-α3-iFv.2タンパク質は、全て、溶解の種々の程度の強さ及び量で特異的死滅活性を示すことが示された。これらの結果により、発明されたiFvが特異的結合活性を他のタンパク質に付与して、それらのタンパク質が、それら自体の機能的性質を保持して、細胞に媒介される、iFv標的細胞の異なったレベルの溶解を誘発したことが確認された。

[実施例3]
(NKG2Dリガンドの改変されたα1-α2ドメイン)
これらは、NKG2DLにポリペプチドを取り付けて、それが改変されてヒトNKG2D受容体に対するそれらの結合親和性を大きく増強させた例である。MICタンパク質のα1-α2ドメインは、NKG2D受容体に対するNKG2DLである。この親和性は、NK細胞の生理学的活性化のために十分であり、「標的細胞」の2次元の細胞膜表面に不可逆的につながれた自然のままの全長MICタンパク質を発現する細胞の溶解を刺激する(Bauer S, Groh V, Wu J, Steinle A, Phillips JH, Lanier LL, Spies T., Science. 1999 Jul 30;285(5428): 727-9)。しかしながら、本発明の操作された可溶性のMICタンパク質は、標的細胞の表面上の特異的標的抗原に可逆的に結合するので、操作された可溶性MICタンパク質のNKG2Dに対する結合親和性は、NK細胞と標的抗原を発現する細胞との間で形成される、可溶性MICに依存する錯体の安定性に直接影響するであろう。特に、sMICAとNKG2Dの間の親和性が、改変されたsMICAのNKG2Dからの実質的により遅い解離速度、即ちオフ速度により増大するならば、NK細胞に基づく死滅は、標的細胞に結合した可溶性MIC分子の密度が低いほど、大きいと予想されるであろう。本発明の前には、可溶性MICタンパク質の死滅活性を変化させるか又は結合がオフ速度を大きく低下させてNKG2Dに対するMICタンパク質の親和性を増強する如何なるα1-α2変異も確認されていなかった。コンピュータ設計の努力により、野生型MICAのα1-α2ドメインにおける3通りの変異: N69W、K152E、及びK154D(WED-MICA)が、組合せで、結合していないMICAの安定性に影響して、それによりNKG2Dに対する結合のその会合速度、即ちオン速度に影響することにより、NKG2D結合親和性に適度に影響し得ることが示された(Lengyel CS, Willis LJ, Mann P, Baker D, Kortemme T, Strong RK, McFarland BJ.J Biol Chem. 2007 Oct 19;282(42):30658-66. Epub 2007 Aug 8)。公表された構造的記載による、理論的にNKG2Dと接触するMICAの22個のアミノ酸の位置を反復する計算により走査する、同じグループによるその後の徹底的なコンピュータ設計の仕事(Li P, Morris DL, Willcox BE, Steinle A, Spies T, Strong RK., Nat Immunol. 2001 May;2(5):443-451)が、初期の3通りの変化と組み合わされた場合に、さらに合理的な、MICAの反復するコンピュータ設計が、合計7通りの組み合わされた変異で、定性的にNKG2Dに対するその親和性を弱(Kd約2.5μM)から中程度の強さ(Kd=51nM)に変化させることを実験的に示した(Henager, Samuel H., Melissa A. Hale, Nicholas J. Maurice, Erin C. Dunnington, Carter J. Swanson, Megan J. Peterson, Joseph J. Ban, David J. Culpepper, Luke D. Davies, Lisa K. Sanders, and Benjamin J. McFarland, 2102, Combining different design strategies for rational affinity maturation of the MICA-NKG2D interface. Protein Science 21: 1396-1402)。対照的に、本発明で記載される実験的手法は、実験的にMICAのアミノ酸改変を選択して、その改変は、Lengyelら(Lengyel CS, Willis LJ, Mann P, Baker D, Kortemme T, Strong RK, McFarland BJ., J Biol Chem. 2007 Oct 19;282(42):30658-66. Epub 2007 Aug 8)の3通りのWED変化により安定化されたMICAで始めて、MICAのα1-α2ドメインとNKG2Dの間のオフ速度を遅くした。

本発明のこの実施例は、オフ速度の結合動力学に影響するα1-α2ドメイン内の選択されたアミノ酸の位置における特異的変異を操作することにより、可溶性MICタンパク質のNKG2D結合親和性を改変して、それにより発明された非天然の標的とされるMIC分子のNK細胞に媒介される死滅活性を変化させることに関する。

NKG2Dに対して変化させた親和性を有する可溶性の非天然α1-α2ドメインを操作するために、α1-α2ドメイン中の57個の残基を広範な突然変異生成のために選んだ(図12)。α1-α2ドメインをコードする及び57個のアミノ酸の位置の各々においてNNK変異を誘発するコドンを含有する合成DNAライブラリーを合成して、個別にM13ファージのpIIIマイナーコートタンパク質(pIII minor coat protein)との融合体としてクローニングし、突然変異したα1-α2変形体を表示するファージ粒子を、標準的方法に従ってSS320大腸菌(E.coli)細胞中で産生させた(Andris-Widhopf, J., Steinberger, P., Fuller, R., Rader, C., and Barbas, C. F., 3rd. (2011) Generation of human Fab antibody libraries: PCR amplification and assembly of light- and heavy-chain coding sequences, Cold Spring Harbor protocols 2011)。α1-α2ファージライブラリーを、増大した結合親和性を求めて、組替えビオチン化NKG2Dを標的抗原として使用して選定し、遅い解離速度、即ちオフ速度の高まった高い親和性の変形体を選択するために、意図的に長引かせた結合、長引かせた洗浄及びファージクローンの溶出を繰り返して循環させた。特異的アミノ酸変異の組が、α1-α2中の6箇所の位置で高い頻度生じて、増強されたNKG2D結合親和性を有する好ましいアミノ酸置換として選択された(図12、表1)。

本発明者らは、発見された特異的な変異の異なった組合せを含有した4種の代表的変形体15、16、17、18のα1-α2ドメインをコードするDNAポリヌクレオチド(配列番号27〜30)を合成した(表2)。

上記の例におけるNKG2DLに、本発明者らは、異種分子、例えば、ポリペプチドなどを、これらの4通りの改変されたα1-α2NKG2DLの各々にリンカーペプチドを使用して直接取り付けた。取り付けられた異種分子を有する改変されたNKG2DLからなる4種のHisタグ付きタンパク質(配列番号31〜34)を昆虫細胞で発現させて精製し、それらのNKG2D結合親和性及び動力学的結合パラメーターをキャラクタライズした。競合的結合ELISAを使用して、本発明者らは、4種の改変されたα1-α2変形体の相対NKG2D結合親和性を決定した。可溶性の野生型(WT)NKG2DL、sMICAタンパク質を、maxisorpELISAプレートの全てのウェルにコートして、ヒトNKG2D-Fc試薬に対する結合相手を提供した。4種のα1-α2変形体並びにWT及びWED-α1-α2ドメイン(配列番号35)の溶液をELISAウェル中で滴定して、プレート上にコートされたWT sMICAに対する2nMヒトNKG2D-Fcの結合を競合的に阻害させた。プレート上のWT NKG2DLに結合したヒトNKG2D-Fcのレベルを、抗Fc-HRP抗体を使用して検出した。図13のパネルAは、変形体16、17、及び18が0.7、0.6、0.5nMのIC₅₀値を示したが、変形体15は1.7nMのIC₅₀値を示したことを示し、全て、WT NKG2DLよりもそれぞれ、27、32、38及び11倍大きく優れたNKG2Dに対する結合、並びにWED-MICAよりも実質的に優れた結合を有した(表3)。

重要なこととして、相対IC₅₀の差も、マウスのNKG2D-Fcに対するさらに強い結合に移されて(図13、パネルB)、前臨床の薬剤開発のために重要な性質である、ヒト及び非ヒトNKG2D受容体を越える可溶性の改変されたα1-α2ドメインの結合を改善する能力を示した。

変化した親和性の動力学的根拠を理解するために、表面にコートされたビオチン化ヒトNKG2Dに対するα1-α2変形体NKG2DLの結合のオン速度及びオフ速度の両方を、バイオレイヤー干渉法(Octet)を使用して、100nMの各々の改変されたα1-α2タンパク質で測定した。IC₅₀ELISAからの結果と矛盾なく、変形体16、17及び18は、各々オフ速度における有意な低下を示し(WTに対して18倍)、それが親和性の増大の主な原因である(WTα1-α2に対して約30倍)(図14;表3)。変形体15は、16、17、及び18のように同様な遅いオフ速度を示したが、そのオン速度は低下して、WTより強いが変形体16、17及び18より弱い親和性を生じた。変形体15(配列番号31)と16(配列番号32)の間の唯一の差はK125N対K125Lだけであったので、明らかに位置125における変異がオン速度を変化させたが、一方、低下したオフ速度はH161Rの変異に帰せられた。それ故、NKG2DL変異の選択された組(表1)を、有意なオフ速度の低下によりNKG2Dに対するα1-α2の親和性を増大させるために使用したが、ある置換もオン速度を変化させて、本発明者らが本発明で示したある範囲のますます増加する親和性の増大を生じさせて、以下で記載するように、NK細胞に媒介される死滅アッセイにおける特異な活性を有した。

FGFR3を発現する標的細胞のNK細胞に媒介される溶解を変えるα1-α2親和性変形体の能力は、インビトロのカルセイン放出アッセイで示された。ヒトナチュラルキラー(NK)細胞ライン、NKLを、FGFR3を細胞外に発現するカルセイン添加P815標的細胞と共培養して、可溶性の改変されたMICタンパク質で滴定した。図15における結果は、FGFR3特異的可溶性MIC変形体の死滅活性は、それらの操作されたα1-α2親和性と相関することを示した。具体的には、変形体16、17、及び18は、0.78nMでWTより約15倍大きい死滅を示した。WED-MICA(配列番号35)は、WTより少しだけ優れていた。それ故、本発明は、ヒトNKG2Dに対する可溶性MICタンパク質の結合のオフ速度を低下させることにより、NKG2D結合親和性を増大させて、その結果として予測される増大した死滅効果をもたらす、α1-α2ドメイン内におけるアミノ酸置換を記載する。オフ速度を低下させるのではなくオン速度を増大させることにより(図14)、WT MICAよりやや大きいNKG2Dに対する親和性を示したWED-MICAは(図13、パネルA)、標的細胞死滅の実質的改善を示さなかった(図15)。さらに、図13パネルBに示すように、WED-MICAは、マウスのNKG2Dに対してWT MICAと比較してさえ実質的に劣る結合を示したが、変形体15、16、17、及び18は各々、ヒト及びマウス両方のNKG2Dに対して、より大きい親和性を示した、図13のパネルA及びB。

これらのα1-α2 NKG2DL親和性の変形体15、16、17、及び18は、取り付けられたポリペプチドのNKG2D受容体に対する結合親和性を増強して、それにより標的細胞のNK細胞に媒介される溶解を増強した、図15。

[実施例4]
(NKG2Dリガンドの非天然α1-α2ドメイン及びそれらが結合する同起源の非天然のNKG2D受容体)
MICA及び他のNKG2Dリガンドのα1-α2ドメインは、NKG2D受容体に既知の特異的部位で結合し(Li et al 2001; Benjamin J. McFarland, Tanja Kortemme, Shuyuarn F. Yu, David Baker, and Roland K. Strong. Symmetry Recognizing Asymmetry: Analysis of the Interactions between the C-Type Lectin-like Immunoreceptor NKG2D and MHC Class I-like Ligands. Structure, Vol. 11, 411-422, April, 2003)、NKG2D受容体を有する免疫細胞の活性化を推進して、それは、結果としてMICA又は他のリガンドを表示する標的細胞を死滅する。本発明者らは、ファージディスプレイを利用して、NKG2Dに対する結合に関与すると思われる57箇所の特異的部位における広範な突然変異生成により、MICAの非天然α1-α2ドメインを操作した(図16)。α1-α2ドメインをコードして57個のアミノ酸の位置の各々でNNK変異を誘発するコドンを含有する合成DNAライブラリーを合成して、個別にM13ファージのpIIIマイナーコートタンパク質との融合体としてクローニングし、突然変異したα1-α2変形体を表示するファージ粒子を、標準的方法に従ってSS320大腸菌細胞中で産生させた(Andris-Widhopf, J., Steinberger, P., Fuller, R., Rader, C., and Barbas, C. F., 3^rd, 2011. Generation of human Fab antibody libraries: PCR amplification and assembly of light- and heavy-chain coding sequences, Cold Spring Harbor protocols 2011)。α1-α2ファージライブラリーを、増大した結合親和性を求めて、組替えビオチン化NKG2Dを標的抗原として使用して選定し、遅い解離速度、即ちオフ速度の高まった高い親和性の変形体を選択するために、意図的に長引かせた結合、長引かせた洗浄及びファージクローンの溶出を繰り返して循環させた。α1-α2ドメイン中の9箇所の位置における特異的アミノ酸変異の組を、増強されたNKG2D結合親和性に関して好ましいアミノ酸置換の部位として選択した。本発明者らは、特異的変異の異なる組合せを含有した8種の代表的変形体(配列番号55〜62)のα1-α2ドメインをコードするDNAポリヌクレオチドを合成した(表4)。

8種の変形体のα1-α2ドメインをコードするDNAポリヌクレオチドをPCRプライマー(配列番号63〜64)で増幅した。BlpI及びSapI制限酵素を使用して、各々を、Hisタグ付きα1-α2-α3-Fv融合体発現構築物(配列番号65)中にサブクローニングして、天然(wt)α1-α2配列をコードする配列を変異したα1-α2配列で置き換えた。9種の融合タンパク質(配列番号66〜74)を293細胞(Expi293(登録商標)発現系、Life Technologies、Thermo Fisher,Inc.)中で発現させて、Ni-アフィニティークロマトグラフィー(HisTrapHP、GE Healthcare Life Sciences)を使用して、アフィニティー精製した。

NKG2D受容体タンパク質を構築するために、本発明者らは、野生型受容体(配列番号75)の細胞外ドメイン(「外部ドメイン(ectodomain)」)をコードするDNAを合成して、PCRプライマー(配列番号76〜77)及びXbaI及びBamHI部位を使用して、該合成DNAをN末端His-aviタグ発現ベクター(配列番号78)中にクローニングした。His-aviタグ付き天然のNKG2D(配列番号79)を293細胞中で一時的に発現させて、Ni-アフィニティークロマトグラフィーを使用して精製した。精製に続いて、NKG2Dタンパク質を、BirAを使用して部位特異的にビオチン化して、ビオチン基をaviタグ配列(BirAビオチン-タンパク質リガーゼ標準反応キット、Avidity、LLC、Aurora、CO.)に取り付けた。

天然及び8種の変形体α1-α2ドメインの動力学的結合パラメーターをキャラクタライズして、天然のNKG2Dと比較するために、本発明者らは、表面にコートされたビオチン化天然のNKG2D外部ドメインに対するそれらの結合を、バイオレイヤー干渉法(Octet)を100nMの各々のα1-α2-α3-Fv融合タンパク質で使用して測定した。結果を表5に示す。

表5に示したように、配列番号68〜74の異種ポリペプチドα3-Fvと融合した選択されたα1-α2ドメイン変異は、オフ速度の有意な低下を通して天然のNKG2Dに対するα1-α2ドメイン親和性を増大させた。オフ速度は、20倍から100倍を超える範囲でwt(配列番号66)及び前に記載したMICwedのα1-α2ドメイン変形体(配列番号67)のオフ速度より遅い。

本発明のこの例で、本発明者らは、以下で記載するように、α1-α2-α3-Fv融合体として、天然のNKG2D(表2;配列番号69)に高い親和性及びそれからの非常に遅いオフ速度を有した、非天然α1-α2ドメイン(DSM25、配列番号57、表4)は、天然のNKG2Dリガンドに対するその結合を無効にした特異的変異を含有する非天然のNKG2D受容体に対して強い結合親和性を示すことをさらに示した。NKG2D外部ドメイン(配列番号75及び図17)の位置73及び120と等価のヒトNKG2D中のチロシン152及びチロシン199における変異が、天然リガンド、MICAに対する結合を無効にすることが他者により示された(David J. Culpepper, Michael K. Maddoxl, Andrew B. Caldwell, and Benjamin J. McFarland. Systematic mutation and thermodynamic analysis of central tyrosine pairs in polyspecific NKG2D receptor interactions. Mol Immunol. 2011 January ; 48(4): 516-523)。

非天然のNKG2D受容体タンパク質を構築するために、本発明者らは、PCRプライマー(配列番号76〜77)を使用して、天然のNKG2D外部ドメイン(配列番号75)をコードするDNAをクローニングして、それをN末端にHis-aviタグ付きの発現ベクター配列番号78中に挿入してHis-aviタグ-NKG2D(配列番号79)を産生させた。部位に支配される突然変異生成を天然のNKG2Dの外部ドメインDNA構築物で実施して、Y152A、Y199A、又はY152AプラスY199A変異を導入し、ヒトNKG2Dの3種の非天然変形体を創り出した(それぞれ、配列番号80〜82)。天然のNKG2D及びHis-aviタグを有する3種の非天然のNKG2D変異体を293細胞中で一時的に発現させて、Ni-アフィニティークロマトグラフィーを使用して精製した。精製に続いて、BirAを使用してNKG2Dタンパク質を部位特異的にビオチン化して、ビオチン基をaviタグ配列(BirAビオチン-タンパク質リガーゼ標準的反応キット、Avidity、LLC、Aurora、CO.)に取り付けた。

α3-Fc異種ポリペプチドのMICwedのα1-α2ドメイン(配列番号55)及びDSM25α1-α2ドメイン(配列番号57)との融合を生じさせるために、α1-α2ドメインをコードするDNAポリヌクレオチドを、PCRプライマー(配列番号63〜64)を使用して増幅した。XbaI及びNcol制限酵素を使用して、各々をα1-α2-α3-Fc融合体発現構築物(配列番号83)中にサブクローニングして、天然(wt)α1-α2配列をコードする配列を、変異したα1-α2配列で置き換えた。3種の融合タンパク質、MICA-Fc(配列番号84)、MICwed-Fc(配列番号85)、及びMICv25-Fc(配列番号86)を293細胞中で発現させて(Expi293(登録商標)発現系、Life Technologies、Thermo Fisher、Inc.)、タンパク質Aアフィニティークロマトグラフィー(カタログ番号20334、Pierce Biotechnology、Rockford、IL)を使用してアフィニティー精製した。

それに加えて、上記の3種のFc-融合タンパク質を精製するために、NKG2DリガンドFc融合タンパク質MICB-Fc、ULBPl-Fc、ULBP2-Fc、ULBP3-Fc、及びULBP4-FcをR & D Systems, Inc. (Minneapolis、MN)から購入した。異なったα1-α2ドメイン-Fc融合体の天然及び非天然両方のNKG2Dの外部ドメインタンパク質への結合を、プレートベースのELISAの方法を使用して分析した。全ての天然及び非天然α1-α2ドメイン-Fc融合体を、4℃で終夜、Maxisorpの96ウェルプレートの別々のウェル上に、リン酸塩緩衝生理食塩水(PBS)中2μg/mlのコーティング濃度を使用してコートした。該プレートをPBS/0.05%Tween20中20〜22℃で3回洗浄して、0.5%ウシ血清アルブミンで2時間ブロッキングした。ビオチン化天然及び非天然のNKG2D受容体タンパク質をプレートに結合したNKG2Dリガンドに対して2時間20〜22℃で滴定して、PBS/0.05%Tween20を用いて20〜22℃で3回洗浄し、続いて、結合したNKG2Dタンパク質をストレプトアビジン-HRPを使用して二次検出ステップで検出し、1-ステップのUltra TMB Elisaを用いて発色させた。NKG2Dの外部ドメインの天然の形態(配列番号75)は、試験された全てのα1-α2ドメイン-Fc融合体に結合することができた(図18、パネルA)。非天然MIC-v25α1-α2ドメインリガンドが最も高い親和性(EC₅₀=14nM)で結合して、それは、MICwedより8倍高く、試験された全ての天然α1-α2ドメインリガンドの100倍を超えた(図18、パネルA)。試験された全てのリガンドの天然及び非天然両方のα1-α2ドメインは、Y199A(配列番号81;図18、パネルB)及び二重のY152AプラスY199A(配列番号82;図18、パネルD)変異体NKG2D受容体に対する結合を消失した。しかしながら、試験された全ての天然及び非天然α1-α2ドメインリガンドのうち、唯一MICv25-Fc(配列番号86)の非天然α1-α2ドメイン(配列番号57)だけは、Y152A変異体NKG2D外部ドメイン(配列番号80)に対する結合を、50nMのEC50で保持した(図18、パネルC)。

天然のNKG2Dの結合特異性は、非天然リガンドに対して高い親和性の選好を示すが、ある健常な組織及び多くのストレスを受ける組織に存在する天然のNKG2Dリガンドに対するその強い結合が、現在のNKG2D CAR手法の使用に毒性の極度のリスクを生じさせる(Van Seggelen et al. 2015)。Y152A非天然のNKG2D受容体は、著しく低下したオフ速度を有するように操作された高い親和性の非天然α1-α2ドメインで構成されるタンパク質にのみ特異的に結合した。この極めて典型的な例は、非天然α1-α2ドメインの非天然のNKG2D受容体に結合する能力を際立たせ、したがってNKG2Dリガンドの発明された非天然α1-α2ドメインを含有する二重特異性タンパク質を使用する非天然のNKG2D CARの選択的制御を示した。

[実施例5]
(NKG2Dリガンドの改変されたα1-α2ドメイン)
この実施形態は、ULBPタンパク質のα1-α2ドメインを操作することにより誘導される追加のα1-α2NKG2DL親和性変形体に関する。ULBPタンパク質は、NKG2D受容体に結合することができるNKG2Dリガンドであるα1-α2ドメインを含有する(Cerwenka A, Lanier LL (2004). NKG2D ligands: unconventional MHC class I-like molecules exploited by viruses and cancer. Tissue Antigens 61 (5): 335-43. doi: 10.1034/j.l399-0039. 2003. 00070.x. PMID 12753652)。NKG2D結合のこの親和性は、NK細胞の生理学的活性化のために十分であり、自然のままの全長ULBPタンパク質を天然で発現して、「標的細胞」の2次元の細胞膜表面に不可逆的につながれた細胞の溶解を刺激する(Cerwenka A, Lanier LL (2004). NKG2D ligands: unconventional MHC class I-like molecules exploited by viruses and cancer. Tissue Antigens 61 (5): 335-43. doi: 10.1034/j. l399-0039. 2003.00070.x. PMID 12753652)。しかしながら、異種ポリペプチドに融合された操作された可溶性のα1-α2ドメインは、本発明のある実施形態で、標的細胞の表面の特異的標的抗原に可逆的に結合するので、操作された可溶性MICタンパク質によりすでに示されたように(実施例2〜4)、NKG2Dに対する操作されたULBPα1-α2ドメインの結合親和性は、NK細胞と標的抗原を発現する細胞の間に形成される人工シナプスの安定性に直接影響するであろう。操作された非天然α1-α2ドメインのNKG2Dリガンドとしてのレパートリーを多様化するために、ULBPタンパク質を、それらのNKG2D結合親和性のファージディスプレイに基づく操作のための基質又は出発点として使用した。ULBPとMICAの間で観察される構造的相同性(Radaev, S., Rostro, B., Brooks, AG., Colonna, M., Sun, PD. (2001) Conformational plasticity revealed by the cocrystal structure of NKG2D and its class I MHC-like Ligand ULBP3. Immunity 15, 1039-49)にもかかわらず、配列相同性はMICAに対するULBPα1-α2ドメインについて<50%である。したがって、本発明者らは、NKG2Dの結合親和性を改善するULBPα1-α2ドメインにおけるコドン位置の正体を探求した。

ULBPタンパク質からの可溶性の非天然α1-α2ドメインを操作するために、ULBP2及びULBP3を、高い親和性のNKG2D結合を有する変異体のファージディスプレイ及び選択のために選んだ。ULBP2(配列番号16)のα1-α2ドメイン中におけるアミノ酸位置60、及びULBP3(配列番号17)のα1-α2ドメイン中におけるアミノ酸位置36を、広範な突然変異生成のために選んだ。それに加えて、システインからセリンへの保存的変異を、ULBP2(配列番号16)中のC8Sで、及びULBP3(配列番号17)中のC103Sで行い、ポリペプチドが取り付けられたNKG2Dリガンドの安定性及び機能を改善するために、並びにファージパンニング(phage panning)プロセスを改善するために、不対の自由システインを排除した。これらのシステインからセリンに改変されたα1-α2ドメインをコードする、及び選択されたアミノ酸位置の各々でNNK変異を誘発するコドンを含有する合成DNAライブラリーを個別に合成して;M13ファージのpIIIマイナーコートタンパク質と融合させてクローニングして;及び突然変異したα1-α2ULBP2又はULBP3変形体を表示するファージ粒子を、標準的方法に従ってSS320大腸菌細胞中で産生させた(Andris-Widhopf, J., Steinberger, P., Fuller, R., Rader, C, and Barbas, C. F., 3rd. (2011). Generation of human Fab antibody libraries: PCR amplification and assembly of light- and heavy-chain coding sequences, Cold Spring Harbor protocols 2011)。α1-α2ファージディスプレイライブラリーを、NKG2Dに対する増大した結合親和性を求めて、ヒトNKG2D-Fcを標的タンパク質として使用して選定し、遅い解離速度、即ちオフ速度の高まった高い親和性の変形体を選択するために、意図的に長引かせた結合、長引かせた洗浄、及びファージクローンの溶出を繰り返して循環させた。ULBP2について、特異的アミノ酸変異が、α1-α2中の位置R80、V151、V152、及びA153において高い頻度で見出され、増強されたNKG2D結合親和性を有する好ましいアミノ酸置換として確認された(図19、パネルA;及び表6)。

ULBP3について、特異的アミノ酸変異が、ULBP2に対して異なった位置で高い頻度で見出された。ULBP3のα1-α2ドメイン中の位置R162及びK165は、増強されたNKG2D結合親和性を有する好ましいアミノ酸置換として確認された特異的変異を含有した(図19、パネルB;及び表7)。ULBP2及びULBP3から誘導されたこれらの改変された非天然α1-α2ドメインは、単一のタンパク質又は異種ペプチド若しくはポリペプチドとの融合体として、複数の治療様式で、増強されたNKG2D結合のために使用することができる。

[実施例6]
(抗体ペプチドと融合したULBPの改変されたα1-α2ドメインによる結合及び細胞溶解)
以下の実施例は、ヒト及びマウスのNKG2D受容体に対するそれらの結合親和性を大きく増強するように改変されたNKG2DLに抗体ポリペプチドを結合することに関する。各ULBPタンパク質のα1-α2ドメインは、NKG2D受容体に対する天然リガンド、即ちNKG2DLである。抗体は、2つの大きい重鎖及び2つの小さい軽鎖で作られた高度に安定な糖タンパク質である(図1)。NKG2D受容体に自然のままのULBPドメインより強く結合する非天然ULBPのα1-α2ドメインを使用して免疫細胞を直接活性化することができるIgG抗体様式は、当技術分野に存在しなかった。さらに、ULBPのα1-α2ドメインは、MICAのα1-α2ドメインと比較してインビボで特異な性質を有し得る抗体融合体を構築するために、代替的NKG2DLを提供する。例えば、抗体融合体内のMICAのα1-α2ドメインに対するインビボにおける抗薬剤抗体応答は、ULBPとMICAのα1-α2ドメインの間の配列相同性が低いので(図20)、改変されたULBPのα1-α2ドメインとは反応又は干渉しそうもない。この例は、操作されたULBPα1-α2というNKG2Dリガンド(表6及び7)とIgG分子の重鎖との融合が、天然ULBP α1-α2というNKG2Dリガンドと比較してNKG2Dの結合及び標的細胞死滅を増強したことを示す。これは、改変されたα1-α2ドメインと異種タンパク質又はペプチドとの融合の有用性をさらに示す。

操作されたα1-α2ドメインの抗体との融合を生じさせるために、ULBP2 (配列番号16)の変形体R80W及びV151D (それぞれ、配列番号87及び88)のC8Sに改変されたα1-α2ドメイン並びにULBP3 (配列番号17)の変形体R162G(配列番号89)のC103Sに改変されたα1-α2ドメインをコードするDNA配列を合成して、Her2-特異的抗体(Carter, P., Presta, L., Gorman, CM., Ridgway, JB., Henner, D., Wong, WL., Rowland, AM., Kotts, C, Carver, ME., Shepard, HM. (1992) Proc Natl Acad Sci 15, 4285-9)からの重鎖配列とのC末端融合体としてクローニングした。生じた融合体を哺乳動物発現ベクターpD2509中にクローニングして、対になった完全IgG抗体としての親抗体の軽鎖で発現させた。一過性の発現を、Expi293発現系をメーカーのプロトコル(Life Technologies)に従って使用して、HEK293細胞で実施して、標準的タンパク質Aアフィニティークロマトグラフィーを使用して精製した。ULBP2及びULBP3のα1-α2の抗体重鎖融合体で実施された結合ELISAは、改変されたULBP2融合体(HC_R80W及びHC_V151D)及びUBLP3融合(HC_R162G)が、ヒトNKG2Dに、同じ重鎖と融合したそれらのそれぞれの天然α1-α2ドメインと比較してより高い親和性で結合したことを示した(図21、パネルA及びB)。

改変されたULBP抗体融合体の標的細胞死滅特性をキャラクタライズするために、ヒトのナチュラルキラー(NK)細胞ライン、NKLを、Her2を発現するカルセイン添加SKBR3標的細胞と共培養して、操作された抗体融合タンパク質で滴定した。図22パネルA及びBにおける結果は、Her2-特異的非天然ULBP2及び非天然ULBP3α1-α2-抗体融合体の増強された細胞崩壊(死滅)活性は、NKG2Dに対するそれらの操作されたα1-α2ドメインの増強された親和性を反映したことを示した。特異的に、ULBP2変形体融合HC_R80W及びHC_V151D、及びULBP3変形体融合HC_R162Gは、自然のままのα1-α2ドメインのいずれかを含有する抗体融合体よりも効果的にSKBR3細胞を死滅させた。これらのデータは、改変されたα1-α2変形体-抗体融合体は、IgG分子がNKG2Dに強く結合して、抗原-特異的細胞溶解を指示することを可能にするための汎用のプラットホームであることをさらに示した。

[実施例7]
(Y152A非天然のNKG2Dに選択的に結合するオルトゴナルな非天然α1-α2ドメインの構築)
CAR-T細胞療法を選択的に制御する手段は、毒性を和らげ且つ腫瘍に対する効力を改善するために、強く探求されている(Gill and June, op cit)。以前の試みは、CD16の外部ドメインを使用するCARを開発するために行われ、それを次に治療用のモノクローナル抗体のFcドメインにより束縛することができ、CAR-Tの標的設定を抗体に基づいて制御することが可能になる(Chang et al., opcit)。しかしながら、CD16ベースのCAR-T細胞は、血液及び組織中で全ての内因性抗体分子を認識することができ、これらの細胞を制御するために使用される治療用の抗体は、NK細胞上の内因性CD16受容体からの干渉に遭うであろう。これらの特徴は両方共、オフ腫瘍毒性(off-tumor toxicity)及び劣った薬物動態に、それぞれ関する問題を創り出す。

これらの問題点に対処するために、本発明者らは、全ての天然のNKG2Dリガンドに対する結合を欠いて、実施例4で示したように、高い親和性の非天然α1-α2ドメインの結合により制御され得る非天然のNKG2D CAR-T細胞を遺伝子操作で作った。追加の要件は、非天然のNKG2Dに対する高い親和性を保持して、天然のNKG2Dドメインに対する結合を回避する非天然α1-α2ドメインについてである。したがって、天然のNKG2Dに優る非天然のNKG2D受容体に対する強い選択性を示す操作されたα1-α2ドメインは、非天然のNKG2D CAR受容体、又は非天然α1-α2ドメインにより選択的に束縛され得る非天然のNKG2D外部ドメインと融合した任意の受容体又はタンパク質の選択的制御のために理想的な系を意味する。

本発明者らは、ファージディスプレイを使用してY152A NKG2D受容体に選択的な結合を示すオルトゴナルな非天然α1-α2ドメインを操作した。出発点として、天然のNKG2Dに対する高い親和性を有する3種の非天然α1-α2ドメインを、さらなら突然変異生成及びファージディスプレイによるスクリーニングのための親ドメインとして選択した。合成DNAライブラリーを、個々のα1-α2ドメイン変形体DSM25、ULBP2 R80W、及びULBP3 R162G(配列番号57、87、及び89)について生成させて、それにより、結合された状態でNKG2D受容体のY152位置の近くに位置するアミノ酸残基のコドンをNNKコドンで置き換えた。DSM25ライブラリーは、残基71〜75及び155〜159におけるNNKの位置からなり、ULBP2 R80Wライブラリーは、位置154〜159におけるNNKコドンを有し、及びULBP3 R162Gライブラリーは、位置155〜159におけるNNKコドンを有する。ライブラリーを、M13ファージのpIIIマイナーコートタンパク質との融合体としてクローニングして;突然変異で生成したα1-α2ドメイン変形体を表示するファージ粒子を標準的方法に従ってSS320大腸菌細胞中で産生させた(Andris-Widhopf, J., Steinberger, P., Fuller, R., Rader, C, and Barbas, C. F., 3rd. (2011). Generation of human Fab antibody libraries: PCR amplification and assembly of light- and heavy-chain coding sequences, Cold Spring Harbor protocols 2011)。α1-α2ファージディスプレイライブラリーを、非天然Y152A NKG2D受容体に対する高い結合親和性を求めて、非ビオチン化天然のNKG2D-Fc競合タンパク質の存在下で、ビオチン化Y152A NKG2D-Fcタンパク質に結合したファージクローンを選択的に捕捉することにより選定した。選択的クローンを、非ビオチン化天然のNKG2D-Fcの濃度を増大させて競合選択の複数の循環を繰り返すことにより濃縮した。

選択を4回繰り返した後、ファージクローンの配列を決定して、NNK変異を誘発する領域内の特異的変異を同定した。表8、9、及び10に、Y152A NKG2Dの選択的スクリーニングから生じた各α1-α2ドメインに多くあることが見出された選択されたアミノ酸残基を示す。

適切な選択的結合を示したファージクローンを確認するために、ファージを個々のクローン:MICA25.17、MICA25.18、ULBP2.S1、ULBP2.S2、ULBP2.S3、ULBP3.S1及びULBP3.S2(それぞれ、配列番号90、91、92、93、94、95、及び96)について産生させて、Y152A又は天然のNKG2Dに対して結合ELISAで滴定した。図23、パネルA〜Cは、7種の全てのファージクローンが、非天然Y152A NKG2Dに対して、天然又は野生型NKG2Dの10倍を超える選択的結合を発揮したことを示した。

Y152Aに選択的なα1-α2ドメイン変形体が、抗体融合体に関する特異的結合特性を保持することを確認するために、本発明者らは、MICA25.17及びULBP2.S3を、前に記載した(Qing et al, 2009. op cit;それぞれ、配列番号97及び98)FGFR3特異的抗体の重鎖とのC末端融合体としてクローニングした。生じた融合体を、哺乳動物発現ベクターpD2509中にクローニングして、対化された完全IgG抗体(R3 HC25.17及びR3 HC.U2S3)としての親抗体の軽鎖と共発現した。一過性発現を、Expi293発現系をメーカーのプロトコル(Life Technologies)に従って使用して、HEK293細胞中で実施して、標準的タンパク質Aアフィニティークロマトグラフィーを使用して精製した。R3 HC25.17及びR3 HC.U2S3α1-α2抗体重鎖の融合体の非天然Y152A NKG2D及び天然のNKG2Dに対する結合をELISAで測定すると、天然のNKG2Dと比較してY152A NKG2Dに対するそれらの有意に大きい結合親和性が示された(図24、パネルB及びD)。対照的に、抗体のDSM25及びULBP2 R80Wとの融合体は、天然のNKG2D-Fcに対する好ましい結合を示した(図24、パネルA及びC)。まとめると、これらのデータは、非天然のNKG2D受容体に対する高い親和性結合及び天然のNKG2D受容体に対する有意に低下した結合親和性を有した非天然のオルトゴナルなα1-α2ドメインの発明を示した。さらに、オルトゴナルなα1-α2ドメインの抗体ポリペプチドとの融合体は、それらの選択的結合特性を保持して、新しい抗原に対する非天然のNKG2D受容体を、例えばCAR-T細胞に関して変えるために使用することができる。

[実施例8]
(非天然のNKG2Dの外部ドメインを有するCAR-T細胞の標的設定及び死滅活性は、標的を定める抗体と融合したオルトゴナルなα1-α2ドメインを使用して制御される)
非天然のNKG2Dの外部ドメインを活用するキメラ受容体で構築されたCAR-T細胞の選択的制御を示すために、本発明者らは、それぞれのNKG2Dの外部ドメインを、CARのCD8ヒンジ領域(図25)と融合させる4-lBB/CD3ゼータCAR構築物(Campana、特許8,399,645)を使用する以前の仕事に基づいて、天然のNKG2D又は非天然Y152A NKG2Dの外部ドメインのいずれかを有するCARを構築した。これらの構築物を、レンチウイルスの形質導入を使用して、レンチウイルスベクター中にクローニングして、初生ヒトCD8陽性T細胞中で発現させた。生じた天然のNKG2D CAR-T細胞は、インビトロで特異的細胞死滅活性を示して、標的細胞で発現された天然MICAリガンドの認識と矛盾しない。具体的には、図26、パネルAは、天然のNKG2D CAR-T細胞は、天然MICAリガンドを発現するP1細胞を死滅させたが、非天然Y152A NKG2D CAR-T細胞は、有意に無能になり、MICAを発現するP1細胞の非常に減少した死滅を示したことを示した。さらに、図26、パネルBは、オルトゴナルなα1-α2抗体重鎖融合体、R3 HC25.17及びR3 HC.U2S3が、非天然Y152A CAR-T細胞を選択的に活性化して、FGFR3を発現するP1標的細胞を死滅させたが、天然のNKG2D CAR-T細胞の死滅活性を変えることはできなかったことを示した。このことは、非天然Y152A NKG2Dに対して選択的でなく、天然及び非天然CAR-T細胞の両方を活性化してP1標的細胞を死滅させたR3 HC25及びR3 HC.U2R80Wのα1-α2抗体重鎖融合体と対照的であった。これらのデータは、非天然Y152A NKG2Dに選択的に結合するように操作された非天然のオルトゴナルなα1-α2ドメインが、非天然Y152A NKG2D CAR-T細胞を特異的に活性化したが、天然のNKG2D受容体を避けたことを示した。

Claims

天然のNKG2Dリガンド分子の非天然の改変されたα1-α2ドメインであって、前記改変されたα1-α2ドメインは、以下の(a)及び(b)：
(a) 配列番号１６と少なくとも90％の同一性を有するアミノ酸配列であって、配列番号１６と少なくとも90％の同一性を有する前記アミノ酸配列において、配列番号１６の位置154、155、156、157、158及び159に対応する位置の1以上が、配列番号１６と比較して置換されている、前記アミノ酸配列；
(b) 配列番号１７と少なくとも90％の同一性を有するアミノ酸配列であって、配列番号１７と少なくとも90％の同一性を有する前記アミノ酸配列において、配列番号１７の位置155、156、157、158及び159に対応する位置の1以上が、配列番号１７と比較して置換されている、前記アミノ酸配列、
から選択されるアミノ酸配列を含み、
前記1以上の置換は、非天然のNKG2D受容体の外部ドメインに対する前記非天然の改変されたα1-α2ドメインの結合親和性を増大させ、且つ、前記非天然のNKG2D受容体の外部ドメインは、配列番号７５のアミノ酸配列を含むが、配列番号７５の位置73におけるチロシンがアラニンで置き換えられている、
前記非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
配列番号９２、９３又は９４のアミノ酸配列を含む、請求項１記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
配列番号９５又は９６のアミノ酸配列を含む、請求項１記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
標的を設定している取り付けられた異種分子をさらに含み、それにより二重特異性分子を創り出している、請求項１記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
異種分子がペプチド又はポリペプチドである、請求項４記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
ポリペプチドが抗体又は抗体フラグメントである、請求項５記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
標的を設定している異種分子が、前記非天然のNKG2D受容体の外部ドメインが取り付けられている哺乳動物細胞に送達される、請求項４記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
前記非天然のNKG2D外部ドメインを発現する細胞の活性化の増強を示すことで、細胞に送達された天然又は自然のままのα1-α2ドメインを有する天然のNKG2Dリガンド又は二重特異性分子よりも大きい標的細胞死滅効果を示す細胞を生じる、請求項７記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
天然のNKG2D外部ドメインを発現する細胞の活性化よりも大きい、前記非天然のNKG2D外部ドメインを発現する細胞の活性化を示すことで、該天然のNKG2D外部ドメインを発現する細胞よりも大きい標的細胞死滅効果を示す該非天然のNKG2D外部ドメインを発現する細胞を生じる、請求項８記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
天然のNKG2D外部ドメインを発現する細胞の活性化よりも大きい、前記非天然のNKG2D外部ドメインを発現する細胞の活性化を示すことで、該天然のNKG2D外部ドメインを発現する細胞よりも弱い毒性を示す前記非天然のNKG2D外部ドメインを発現する細胞を生じる、請求項８記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
配列番号１６と少なくとも90％の同一性を有する前記アミノ酸配列において、配列番号１６の位置80に対応する位置が、配列番号１６と比較して置換されている、請求項１記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。
配列番号１７と少なくとも90％の同一性を有する前記アミノ酸配列において、配列番号１７の位置162に対応する位置が、配列番号１７と比較して置換されている、請求項１記載の非天然の改変されたα1-α2ドメイン。