Avidity 효과 및 평가 방법 - 항체효능 디자인
항체의 avidity 효과 및 평가 방법에 대한 자료입니다. 항체발굴, 항체엔지니어링 디자인에 사용합니다.
IgG 항체는 2개의 결합부위 (paratope) 갖고 있고 모든 결합부위가 항원과 결합할 때 갖게 되는 총결합력을 avidity라고 합니다.
Avidity란 무엇인가?
Avidity는 항체와 항원, 리셉터와 리간드 사이에 작용하는 모든 결합력을 합한, 총결합력 (overall strength)을 의미합니다.
항체치료제의 효능, 효력을 엔지니어링하기 위해 고려하는 항체의 특성입니다.
Avidity에 영향을 주는 요소
항체와 항원 사이의 친화력 (affinity)과 항원에 결합하는 항체의 결합 부위 개수가 avidity에 영향을 줍니다.
Avidity에 영향을 주는 요인: Affinity, 항체의 결합부위 개수
어떤 avidity 효과가 있을까?
약물의 avidity를 증가시킨다는 것은 약물이 더 강한 결합력으로 표적 분자 또는 수용체에 결합하는 특성을 갖도록 만드는 것입니다.
Avidity가 증가하게 되면 상황에 따라 긍정적 효과가 나타나기도 하고, 부정적인 효과가 생기기도 합니다.
1) 긍정적 avidity 효과
효능 (efficacy) 향상
약물과 표적 사이의 결합이 더욱 강력해지고 결합 상태를 더 오랫동안 안정적으로 유지합니다.
결과적으로 약물이 더 오랜 시간 동안 표적에 결합하기 때문에 치료 효과 증가하여 약물 효능이 향상됩니다..
효력 (potency) 증가
avidity가 증가하면 약물 효력이 증가합니다. 이것은 보다 낮은 약물 농도로도 원하는 치료 효과를 얻을 수 있다는 것을 의미합니다.
약물 농도를 낮추어도 목표 치료효과를 얻을 수 있다면 약물 부작용 위험을 줄일 수 있는 긍정적 효과가 됩니다.
약물작용시간 확장
avidity가 높을수록 약물이 더욱 장기간 표적에 결합할 수 있기 때문에 약물 작용 기간이 늘어나게 됩니다.
이러한 특성을 갖게 되면 약물 투여 빈도를 줄여 환자의 편의성을 높일 수 있습니다.
선택성 (selectivity) 향상
상황에 따라 다르기는 하지만 avidity를 높이면 약물이 표적에 보다 특이적으로 결합하여 off-target의 가능성이 줄어들 수 있습니다
약물 저항성 극복
병원체가 표적 분자에 돌연변이를 일으켜서 약물의 binding affinity를 떨어뜨리고 이로 인해 약물이 잘 결합하지 못하도록 진화하는 경우가 있습니다.
이러한 상황에서는 약물의 결합력이 낮아져 약물 효능을 제대로 발휘하지 못하게 됩니다.
병원체의 이러한 약물 저항성을 약물의 avidity를 증가시켜 개선할 수 있습니다.
2) 부정적 avidity 효과
Off-Target 효과
avidity가 증가하면 타겟에 더 잘 결합할 수도 있지만, off-target binding의 위험도 증가하여 의도하지 않은 부작용이 발생할 수도 있습니다.
타겟 특이성 (specificity)을 유지할 수 있도록 avidity 최적화를 신중히 진행해야 합니다.
면역원성 (immunogenicity)
avidity를 높였을 때, 만약 약물이 응집체 (aggregate) 또는 복합체 (complex)를 형성하는 경우 면역 부작용을 일으킬 수 있습니다.
이러한 면역원성은 생물학적 약물 개발에서 점검해야 하는 항목입니다.
약동학 (pharmacokinetics)
약물의 avidity를 변화시키면 분포 (distribution), 대사 (metabolism) 및 제거 (elimination)와 같은 약물의 약동학 특성이 달라질 수 있습니다.
이러한 특성 변경으로 인해 투약 및 투여 일정의 조정이 필요할 수 있습니다.
약물 디자인 난이도
avidity가 높은 약물을 개발하려면 약물 분자를 정밀하게 엔지니어링 할 수 있는 기술과 약물 전달을 어떻게 할지 충분한 계획이 있어야 합니다.
요약하면, 약물의 avidity를 높이면 efficacy, potency, selectivity 향상 효과를 얻을 수 있습니다. 그러나 off-target effect와 같은 잠재적인 단점을 피하기 위해 신중하게 수행해야 하며 전문적인 설계 및 최적화가 필요할 수 있습니다..
Avidity 평가 방법
Avidity index란?
Avidity index는 면역학 분야에서 사용하는 지수로써 항원과 항체의 결합력을 측정하여 index를 생성합니다.
항체는 바이러스, 박테리아 혹은 다른 병원체에 대한 대응 면역반응으로 생성되는 단백질입니다.
생성된 항체가 타겟 항원과 얼마나 강하게 결합하는지를 평가할 때 avidity index를 사용합니다.
생성된 항체의 avidity index를 평가하는 이유는 병원성 물질 혹은 독성 물질에 대항하여 중화, 제거와 같은 면역반응이 얼마나 효과적으로 일어나고 있는지 확인할 수 있기 때문입니다.
Avidity index가 높을수록 항체가 항원에 더욱더 강하고 안정적인 결합을 한다고 해석합니다.
Avidity index 측정은 면역 반응의 성숙도를 평가하는 데 도움됩니다.
특히 백신 개발이나 HIV 또는 특정 바이러스 감염과 같은 질병의 진행을 모니터링하는 상황에서 항체가 강한 avidity를 갖고 있다는 것은 면역시스템이 보다 효과적으로 반응하고 있다는 것을 의미합니다.
Avidity index 평가 과정
1) 샘플 준비
Avidity를 측정하기 위한 항체와 항원을 준비합니다.
2) Incubation
항원을 특정 표면에 고정시킨 후 항체를 넣고 incubation 하여 항원-항체 결합을 유도합니다.
3) Wash
항원을 특정 표면에 고정시킨 후 항체를 넣고 incubation 하여 항원-항체 결합을 유도합니다.
4) 측정
항원을 특정 표면에 고정시킨 후 항체를 넣고 incubation 하여 항원-항체 결합을 유도합니다.
5) 계산
Chaotropic agent 사용
Dissociation agent를 처리하지 않았을 때의 결합 시그널 대비 처리해 주었을 때의 결합 시그널을 비교하여 avidity index를 계산합니다.
Dissociation agent로는 urea, guanidine hydrochloride와 같은 chaotropic agent를 사용합니다.
Chaotropic agent를 처리하면 약한 결합은 제거되고 강하고 안정적인 결합만이 남게 됩니다.
AI (Avidity Index) = (untreated sample의 signal intensity)/(treated sample의 signal intensity)
일반적으로 AI 값 0.5 이상을 avidity가 높다고 말합니다.
높은 avidity index는 항체가 항원과 강력하고 안정적인 상호작용을 한다는 것을 의미하는 반면, 낮은 avidity index는 결합력이 약하고 덜 안정적인 항원-항체 결합을 의미합니다.
Endpoint ratio (ERP) 사용
이 방법은 샘플을 순차희석하여 낮은 희석 배수와 높은 희석배수에서 항원-항체 결합을 측정하여 avidity index를 계산합니다.
희석 배수가 높아지면 항체의 농도가 낮아지고 avidity가 가장 높은 항체만이 항원에 결합하는 확률이 높아지는 원리를 이용합니다.
EPR가 높으면 항체가 항원에 강한 avidity를 가지고 있다는 의미가 됩니다.
예를 들면, 아래와 같습니다.
A 항체의 avidity
희석: 1/10 ~ 1/100,000
ELISA OD 값: (1/10) OD450 = 1.0, (1/100,000) OD450 = 0.5
ERP = 0.5 / 1.0 = 0.5
B 항체의 avidity
희석: 1/10 ~ 1/100,000
ELISA OD 값: (1/10) OD450 = 1.0, (1/100,000) OD450 = 0.75
ERP = 0.75 / 1.0 = 0.75
위의 계산 결과를 해석하면 B 항체는 A 항체 보다 avidity가 높다고 할 수 있습니다.
EPR 방법에서 주의할 점이 있습니다. 2개의 항체가 동일한 EPR 값을 갖고 있다는 의미가 동일한 특성의 avidity를 갖고 있다고는 말할 수 없다는 점입니다.
EPR 방법에서는 항체의 multivalency를 고려하지 않는 방법이기 때문입니다.
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참고자료
- Ligand binding affinity package. https://ycluebio.com/ligand-binding-affinity-package/
- LigandTracer Application. https://www.ligandtracer.com/applications/
- Binding affinity KD, 항체치료제 성공의 기초. 링크클릭