Innovative anti-IL-33 receptor blocking
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Datum
2025-07-28
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Zusammenfassung
Severe asthma remains a critical healthcare challenge due to its complex pathophysiology and poor response to corticosteroids. IL-33, a potent alarmin, plays a central role in promoting airway inflammation through its receptor, ST2. Targeting the IL-33/ST2 axis is emerging as a promising therapeutic strategy for severe asthma. While monoclonal anti-ST2 antibodies such as astegolimab show potential in severe asthma, their high cost, limited tissue penetration, and immunogenicity highlight the need for innovative alternatives. This study addresses these limitations by developing novel anti-ST2 nanobodies and evaluating their therapeutic potential through intrapulmonary delivery, which offers localized treatment with superior tissue penetration, reduced side effects, and enhanced efficiency. Mechanistic studies revealed that IL-33/ST2 signaling drives steroid hypo-responsiveness by activating MAPK/ERK and NF-κB pathways and disrupting the GRα/GRβ balance. To counteract these effects, we generated a high-affinity anti-ST2 nanobody library using phage display technology. NB7, the top-performing nanobody, demonstrated exceptional binding specificity and affinity for ST2. Functional evaluations in primary human lung epithelial cells confirmed NB7's ability to block ST2, reduced MAPK/ERK and NF-κB activation, and suppress key pro-inflammatory cytokines, including IL-17 and IL-8. Notably, NB7 restored the GRα/GRβ balance and reversed steroid hypo-responsiveness in vitro. In vivo, intrapulmonary delivery of NB7 demonstrated enhanced localized action, significantly reducing airway inflammation, mucus production, and cytokine levels, while improving lung mechanics and restoring steroid responsiveness with lower systemic exposure and side effects. NB7 demonstrated superior efficacy to astegolimab across multiple parameters at a lower dose. This research is the first to develop anti-ST2 nanobodies that specifically target the IL-33 receptor and evaluate their efficacy via intrapulmonary delivery compared to monoclonal antibodies. By addressing key limitations of existing therapies, this study offers a transformative and localized approach to improving the management of severe asthma.
Beschreibung
Hintergrund: Schweres Asthma bleibt eine bedeutende gesundheitliche Herausforderung aufgrund seiner komplexen Immunpathologie und der Resistenz gegenüber Kortikosteroidtherapien. Die IL-33/ST2-Signalkaskade spielt eine entscheidende Rolle bei der Förderung von Atemwegsentzündungen und trägt zur Chronizität der Erkrankung sowie zur Steroid-Hyporesponsivität bei. IL-33, ein epithelialer Alarmin, löst durch Bindung an seinen Rezeptor ST2 eine Kaskade entzündlicher Reaktionen aus, die zur Aktivierung der MAPK/ERK- und NF-κB-Signalwege führt. Diese Signalwege verstärken nicht nur die Atemwegsentzündung, sondern verringern auch die Wirksamkeit von Kortikosteroiden. Während monoklonale Antikörper (mAbs) gegen ST2, wie Astegolimab, in klinischen Studien vielversprechende Ergebnisse zeigten, wird ihre therapeutische Anwendung durch hohe Produktionskosten, eine begrenzte Gewebepenetration und mögliche Immunogenität erschwert. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, zielte diese Studie darauf ab, eine neuartige Klasse von anti-ST2-Nanobodies mit verbesserter Gewebepenetration, erhöhter Stabilität und reduzierten systemischen Nebenwirkungen bei intrapulmonaler Verabreichung zu entwickeln.
Methoden: Eine hochaffine anti-ST2-Nanobody-Bibliothek wurde durch Immunisierung eines Kamels mit rekombinantem humanem ST2 und anschließender Selektion mittels Phagen-Display-Technologie erstellt. Die Nanobodies wurden hinsichtlich ihrer Bindungsspezifität und Affinität gescreent, wobei NB7 als vielversprechendster Kandidat identifiziert wurde. Funktionelle Tests wurden an primären humanen Lungenepithelzellen durchgeführt, um die Auswirkungen von NB7 auf die IL-33-induzierte Entzündungssignalisierung, die MAPK/ERK- und NF-κB-Aktivierung sowie die Zytokinsekretion, insbesondere IL-17 und IL-8, zu untersuchen. Zudem wurde geprüft, ob NB7 das GRα/GRβ-Gleichgewicht wiederherstellen und die Steroid-Hyporesponsivität umkehren kann. In vivo-Experimente wurden an einem murinen Modell für schweres Asthma durchgeführt, in dem NB7 intrapulmonal verabreicht wurde. Die Analyse umfasste Atemwegsentzündung, Schleimproduktion, Zytokinspiegel, Lungenmechanik und Steroidreaktivität, um die therapeutische Wirksamkeit von NB7 im Vergleich zu Astegolimab zu bewerten.
Ergebnisse: NB7 zeigte eine außergewöhnliche Bindungsspezifität und hohe Affinität für ST2 und hemmte effektiv die IL-33-induzierten Signalwege. In vitro führte die Behandlung mit NB7 zu einer signifikanten Reduktion der MAPK/ERK- und NF-κB-Aktivierung, was mit einer starken Unterdrückung der proinflammatorischen Zytokine IL-17 und IL-8 einherging. Bemerkenswerterweise stellte NB7 das GRα/GRβ-Gleichgewicht wieder her und kehrte die Steroid-Hyporesponsivität in primären Lungenepithelzellen um. In vivo führte die intrapulmonale Verabreichung von NB7 zu einer signifikanten Reduktion der Atemwegsentzündung, der Schleimüberproduktion und der proinflammatorischen Zytokinspiegel. Zudem verbesserte NB7 die Lungenmechanik und stellte die Steroidreaktivität mit reduzierter systemischer Exposition und geringeren Nebenwirkungen im Vergleich zu Astegolimab wieder her. Besonders hervorzuheben ist, dass NB7 eine überlegene Wirksamkeit bei der Minderung der Atemwegsentzündung und der Verbesserung der Kortikosteroidantwort bei einer niedrigeren Dosis als die monoklonale Antikörpertherapie zeigte.
Schlussfolgerung: Diese Studie beschreibt erstmals die Entwicklung und Evaluierung von anti-ST2-Nanobodies, die gezielt den IL-33-Rezeptor für die Behandlung von schwerem Asthma adressieren. Durch den Einsatz der Phagen-Display-Technologie wurde NB7 als hochwirksamer Nanobody identifiziert, der die ST2-Signalübertragung blockiert, Entzündungen reduziert und die Kortikosteroid-Sensitivität wiederherstellt. Die intrapulmonale Verabreichung von NB7 bietet eine lokal begrenzte Therapie mit überlegener Gewebepenetration und minimalen systemischen Nebenwirkungen, wodurch zentrale Einschränkungen aktueller monoklonaler Antikörpertherapien überwunden werden. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von Nanobody-basierten Therapien als innovative Strategie zur Behandlung von schwerem Asthma und ebnen den Weg für weitere klinische Entwicklungen.
Schlagwörter
Severe asthma, IL-33/ST2 axis, steroid hypo-responsiveness, nanobody NB7, intrapulmonary delivery, MAPK/NF-κB, GRα/GRβ balance, airway inflammation.
Zitierform
Institut/Klinik
Lübecker Institut für Experimentelle Dermatologie