Präklinische Entwicklung eines monoklonalen Antikörpers gegen SARS-CoV-2

Projektleiter: Prof. Dr. Ulrich Kalinke

Das wurde erreicht:

Das Projekt „Präklinische Entwicklung eines bispezifischen, humanen SARS-CoV-2-neutralisierenden monoklonalen Antikörpers (PREHUMAB)“ basierte auf einer Reihe vollständig humaner SARS-CoV-2- neutralisierender monoklonaler Antikörper (mAbs), die direkt aus Gedächtnis-B-Zellen von rekonvaleszenten und/oder geimpften Spendern isoliert wurden. Das Hauptziel, einen bispezifischen SARS-CoV-2-neutralisierenden mAb zu entwickeln, wurde erreicht. Allerdings scheiterte die Herstellung ausreichender Mengen eines hochreinen Reagenzes, das für präklinische Experimente in nicht-humanen Primaten erforderlich gewesen wäre. Stattdessen wurde die protektive Wirksamkeit neuer mAb-Kandidaten sowie ihr in vivo Potenzial zur Selektion viraler Escape-Varianten in Maus- bzw. Hamstermodellen untersucht. Im Detail wurden bedeutende Fortschritte in der Antikörper- Entwicklung, Produktion und genbasierten Verabreichung erzielt. Robuste Säuger Expressionssysteme (CHO und HEK293T) wurden für monoklonale, Einzelketten- und komplexe bispezifische tetravalente Antikörper etabliert. Die Produktionsprozesse wurden optimiert, einschließlich Aufreinigungsstrategien, serumfreier Fed-Batch-Verfahren sowie der Skalierung bis zum Bioreaktor. Obwohl die Ausbeuten insgesamt verbessert werden konnten, bleibt die Herstellung hochkomplexer tetravalenter Antikörper technisch anspruchsvoll. Parallel dazu wurde ein breites Panel multispezifischer Antikörper generiert. Während mehrere Kandidaten frühe Omikron-Varianten neutralisieren konnten, zeigten neuere Varianten eine erhöhte Resistenz. Zur Vermeidung viraler Escape-Mechanismen wurden neuartige Konstrukte entwickelt, die konservierte, nicht-neutralisierende „Anker“-Epitope einbeziehen und so eine breitere antivirale Wirksamkeit ermöglichen. 

Die genbasierte Antikörperverabreichung stellte eine zentrale Innovation dar. AAV-Vektoren ermöglichten eine funktionelle Antikörperexpression in vitro und in vivo, wobei in Mausmodellen eine partielle Protektion beobachtet wurde. Darüber hinaus zeigte LNP-formulierte mRNA ein großes Potenzial als schnelle und flexible Plattform zur Antikörperexpression. Sie ermöglichte eine hocheffiziente Verabreichung, eine rasche Antikörperexpression innerhalb von 24 Stunden sowie eine funktionelle Gleichwertigkeit zu rekombinant hergestellten Antikörpern. Die in vitro funktionelle Charakterisierung neuer mAb-Formate erfüllte vollständig die gesetzten Ziele. Mithilfe spike-pseudotypisierter Virussysteme und optimierter ACE2-exprimierender Zielzellen wurde die Neutralisationsfähigkeit systematisch über ein breites Spektrum von SARS-CoV-2-Varianten hinweg untersucht, einschließlich mehrerer Omikron-Subvarianten. Diese Testplattform ermöglichte die Identifizierung von Escape-Varianten sowie die Validierung der Antikörperbreite. Zusätzlich zeigten Studien an primären humanen nasalen Epithelzellen, dass sowohl vorab verabreichte Antikörper als auch eine kontinuierliche in situ Expression die Virusinfektion signifikant reduzieren können, was einen überzeugenden Proof-of-Concept für lokale Antikörperverabreichungsstrategien liefert. Aufgrund von Schwierigkeiten bei der Herstellung großer Mengen hochreiner, innovativer mAb-Formate konnten pharmakokinetische Studien nur teilweise durchgeführt werden. Angesichts der schnellen Entstehung neuer Virusvarianten und der langen Entwicklungszeiten proteinbasierter Ansätze, verlagerte sich der Fokus auf genbasierte Verabreichungsstrategien, die eine höhere Anpassungsfähigkeit bieten. In vivo Schutzstudien wurden in Maus- und Hamstermodellen anstelle von nicht-humanen Primaten durchgeführt. Mausstudien zeigten vielversprechende Trends, wie eine reduzierte Gewichtsabnahme und  niedrigere Viruslasten im Gehirn. Hamsterstudien lieferten wichtige Erkenntnisse zur antikörpervermittelten Protektion und zur Entstehung viraler Escape-Varianten. Erste Experimente mit LNP-mRNA zeigten eine effiziente pulmonale Expression von Reportergenen und unterstützen zukünftige Untersuchungen in Infektions-Challenge-Modellen. Zusammenfassend lieferte das Projekt wesentliche Fortschritte in der Antikörperentwicklung, funktionellen Charakterisierung und insbesondere in genbasierten Verabreichungstechnologien. Obwohl die in vivo Validierung noch nicht vollständig abgeschlossen ist, unterstreichen die Ergebnisse das besondere Potenzial von AAV- und LNP-mRNA-Plattformen für eine schnelle und flexible Bereitstellung antiviraler Antikörper gegen sich wandelnde Pathogene. 

Publikationen

• A tetravalent bispecific antibody outperforms the combination of its parental antibodies and neutralizes diverse SARS-CoV-2 variants. Abhishek Chiyyeadu, Girmay Asgedom, Matthias Bruhn, Cheila Rocha, Tom Schlegel, Thomas Neumann, Melanie Galla, Philippe Vollmer-Barbosa, Katrin Ehrhardt, Teng-Cheong Ha, Michael Morgan, Clara Schoeder, Stefan Pöhlmann, Ulrich Kalinke, Axel Schambach. Clinical Immunology 2024, Volume 260, https://doi.org/10.1016/j.clim.2024.109902
• Diversification of the VH3-53 immunoglobulin gene segment by somatic hypermutation results in neutralization of SARS-CoV-2 virus variants. Bruhn M, Obara M, Salam A, Costa B, Ziegler A, Waltl I, Pavlou A, Hoffmann M, Graalmann T, Pöhlmann S, Schambach A, Kalinke U. European Journal of Immunology 2024, https://doi.org/10.1002/eji.202451056
• Memory B cells anticipate SARS-CoV-2 variants through somatic hypermutation. Bruhn, M., Obara, M., Chiyyeadu, A., Costa, B., Salam, A., Ziegler, A., Waltl, I., Pavlou, A., Bonifacius, A., Hoffmann, M., Graalmann, T., Pöhlmann, S., Eiz-Vesper, B., Schambach, A., & Kalinke, U. Journal of Infection 2024, https://doi.org/10.1016/j.jinf.2023.10.020
• Profound neutralization evasion and augmented host cell entry are hallmarks of the fast-spreading SARS-CoV-2 lineage XBB.1.5. Hoffmann, M., Arora, P., Nehlmeier, I., Kempf, A., Cossmann, A., Schulz, S. R., Morillas Ramos, G., Manthey, L. A., Jäck, H. M., Behrens, G. M. N., & Pöhlmann, S., Cellular & Molecular Immunology 2023, 20(4), 419–422, https://doi.org/10.1038/s41423-023-00988-0
• Host cell entry and neutralisation sensitivity of the SARS-CoV-2 XBB.1.16 lineage. Nehlmeier, I., Kempf, A., Arora, P., Cossmann, A., Dopfer-Jablonka, A., Stankov, M. V., Schulz, S. R., Jäck, H. M., Behrens, G. M. N., Pöhlmann, S., & Hoffmann, M., Cellular andMolecular Immunology 2023, 1–3, https://doi.org/10.1038/s41423-023-01030-z
• Filamentous fungus-produced human monoclonal antibody provides protection against SARS-CoV-2 in hamster and non-human primate models. Franziska K. Kaiser, Mariana Gonzalez Hernandez, Nadine Krüger, Ellinor Englund, Wenjuan Du, Anna Z. Mykytyn, Mathijs P. Raadsen, Mart M. Lamers, Francine Rodrigues Ianiski, Tatiana M. Shamorkina, Joost Snijder, Federico Armando, Georg Beythien, Malgorzata Ciurkiewicz, Tom Schreiner, Eva Gruber-Dujardin, Martina Bleyer, Olga Batura, Lena Erffmeier, Rabea Hinkel, Cheila Rocha, Monica Mirolo, Dubravka Drabek, Berend-Jan Bosch, Mark Emalfarb, Noelia Valbuena, Ronen Tchelet, Wolfgang Baumgärtner, Markku Saloheimo, Stefan Pöhlmann, Frank Grosveld, Bart L. Haagmans, Osterhaus, Albert D.M.E. Nature Communications 2024, https://doi.org/10.1038/s41467-024-46443-0
• Humoral immunity after mRNA SARS-CoV-2 omicron JN.1 vaccination. Christine Happle, Markus Hoffmann, Amy Kempf, Inga Nehlmeier, Metodi V Stankov, Noemi Calderon Hampel, Torsten Witte, Stefan Pöhlmann, Georg M N Behrens, Alexandra Dopfer-Jablonka. Lancet Infect Dis 2024, https://doi.org.10.1016/S1473-3099(24)00603-0
• Immune responses following BNT162b2 XBB.1.5 vaccination in patients on haemodialysis in Germany. Cossmann, A., Hoffmann, M., Stankov, M. V., Lürken, K., Morillas Ramos, G., Kempf, A., Nehlmeier, I., Pöhlmann, S., Behrens, G. M. N., & Dopfer-Jablonka, A. The Lancet Infectious Diseases 2024, https://doi.org/10.1016/S1473-3099(23)00783-1
• Impact of JN.1 booster vaccination on neutralisation of SARS-CoV-2 variants KP.3.1.1 and XEC. Prerna Arora, Christine Happle, Amy Kempf, Inga Nehlmeier, Metodi V Stankov, Alexandra Dopfer-Jablonka, Georg M N Behrens, Stefan Pöhlmann, Markus Hoffmann. Lancet Infect Dis 2024, https://doi.org.10.1016/S1473-3099(24)00688
• Virological Traits of the SARS-CoV-2 BA.2.87.1 Lineage. Zhang L, Dopfer-Jablonka A, Nehlmeier I, Kempf A, Graichen L, Calderón Hampel N, Cossmann A, Stankov MV, Morillas Ramos G, Schulz SR, Jäck HM, Behrens GMN, Pöhlmann S, Hoffmann M. Vaccines (Basel) 2024, https://doi.org/10.3390/vaccines12050487
• Affinity maturation endows potent activity onto class 6 SARS-CoV-2 broadly neutralizing antibodies. Ohan Mazigi, David B. Langleya et al, Proc Natl Acad Sci 2025, https://doi.org/10.1073/pnas.2417544121
• Entry Efficiency, Protease Dependence, and Antibody-Mediated Neutralization of SARS-CoV-2 Sublineages KP.3.1.1 and XEC. Prerna Arora, Amy Kempf, Inga Nehlmeier, Sebastian R. Schulz, Hans-Martin Jäck, Markus Hoffmann, Stefan Pöhlmann, Vaccines 2025, https://doi.org/10.3390/vaccines13040385
• Host cell entry and neutralisation sensitivity of the emerging SARS-CoV-2 variant LP.8.1. Lu Zhang, Amy Kempf, Inga Nehlmeier, Nianzhen Chen, Metodi V Stankov, Christine Happle, Alexandra Dopfer-Jablonka, Georg M N Behrens, Markus Hoffmann, Lancet Infectious Diseases 2025, https://doi.org/10.1016/S1473-3099(25)00113-6
• Host cell lectins ASGR1 and DC-SIGN jointly with TMEM106B confer ACE2 independence and imdevimab resistance to SARSCoV-2 pseudovirus with spike mutation E484D. Prerna Arora, Lu Zhang, Inga Nehlmeier, Amy Kempf, Luise Graichen, Eike Kreitz, Anzhalika Sidarovich, Cheila Rocha, Sabine Gärtner, Michael Winkler, Sebastian Schulz, Hans-Martin Jäck, Markus Hoffmann, Stefan Pöhlmann, Journal of Virology 2025, https://doi.org/10.1128/jvi.01230-24
• Immune Response to SARS-CoV-2 XBB.1.5 and JN.1 Variants Following XBB.1.5 Booster Vaccination in Liver Transplant Recipients. Philippa von der Schulenburg, Georg M. N. Behrens, Markus Hoffmann et al., Viruses 2025, https://doi.org/10.3390/v16121942
• Neutralizing activity against bovine H5N1 HPAIV (clade 2.3.4.4b) in human plasma after seasonal influenza vaccination. Lu Zhang, Georg M N Behrens, Amy Kempf, Inga Nehlmeier, Sabine Gärtner, Anna-Sophie Moldenhauer, Luise Graichen, Christine Happle, Michael Winkler, Alexandra Dopfer-Jablonka, Stefan Pöhlmann, Markus Hoffmann. Emerging Microbes & Infections 2025, https://doi.org/10.1080/22221751.2025.2528539
• Somatic hypermutation shapes the viral escape profile of SARS-CoV-2 neutralising antibodies. Bruhn M, Obara M, Gonzalez-Hernandez M, Reineking W, Salam A, Mirolo M, Hinrichs I, Mergani A, Bartsch Y, Schambach A, Zimmer G, Baumgärtner W, Osterhaus ADME, Kalinke U. EBioMedicine 2025, https://doi.org/10.1016/j.ebiom.2025.105770
• Simulations and active learning enable efficient identification of an experimentally-validated broad coronavirus inhibitor. Elez K, Hempel T, Shrimp JH, Moor N, Raich L, Rocha C, Winter R, Le T, Pöhlmann S, Hoffmann M, Hall MD, Noé F. Nat Communications 16, 2025, https://doi.org/10.1038/s41467-025-62139-5
• Host cell entry and neutralisation sensitivity of SARS-CoV-2 BA.3.2. Zhang L, Kempf A, Nehlmeier I, Chen N, Stankov MV, Happle C, Dopfer-Jablonka A, Behrens GMN, Schulz SR, Jäck HM, Pöhlmann S, Hoffmann M. Lancet Infectious Diseases 2025, https://doi.org/10.1016/j.lanmic.2025.101165
• A critical residue in a conserved RBD epitope determines neutralization breadth of pan-sarbecovirus antibodies with recurring YYDRxxG motifs. Saskia C Stein, George Ssebyatika, Tim Benecke, Luisa Ströh, Manoj K Rajak, Benjamin Vollmer, Sarah Menz, Ja-Yun Waldmann, Sarah N Tipp, Okechukwu Ochulor, Elisabeth Herold, Britta Schwarzloh, Doris Mutschall, Jasmin Zischke, Talia Schneider, Imke Hinrichs, Rainer Blasczyk, Hannah Kleine-Weber, Markus Hoffmann, Florian Klein, Franziska K Kaiser, Mariana Gonzalez-Hernandez, Federico Armando, Malgorzata Ciurkiewicz, Georg Beythien, Stefan Pöhlmann, Wolfgang Baumgärtner, Kay Gruenewald, Albert Osterhaus, Thomas F Schulz, Thomas Krey, Guido Hansen. mBio 2025, https://doi.org/10.1128/mbio.00606-25
• Amino acid residues 655 and 969 in the spike protein of Omicron subvariant BA.1 control use of TMPRSS2 versus Cathepsin L dependent entry pathways and cell tropism. Cheila Rocha, Prerna Arora, Lu Zhang, Anzhalika Sidarovich, Luise Graichen, Anna-Sophie Moldenhauer, Stefan Pöhlmann, Markus Hoffmann. Plos One 2025, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0328879
• Humoral Immune Responses in Dialysis Patients After mRNA Omicron JN.1 Vaccination. Stankov MV, Hoffmann M, Happle C, Lürken K, Kempf A, Nehlmeier I, Stölting A, Pöhlmann S, Dopfer-Jablonka A, Behrens GMN. Kidney Med. 2025, https://doi.org/10.1016/j.xkme.2025.101067