Endocytosis features of GD2-specific antibodies of different formats in tumor cells

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Antibody-drug conjugates (ADCs) have emerged as one of the most promising classes of monoclonal antibody-based (mAb) targeted cancer therapies. To date, 15 drugs of this class have been approved for clinical use, while many more are undergoing more than 100 clinical trials. Similarly to unconjugated antibodies, ADCs target various tumor markers including carbohydrate antigens in glycosphingolipids. Among them, ganglioside GD2 is considered the most promising marker, and recent studies have shown significant potential for the use of anti-GD2 ADCs. Receptor internalization after antigen-antibody complex formation and its transport to cell lysosomes are important characteristics of the marker, on which the effectiveness of ADCs largely depends. The ability of GD2-specific antibodies to internalize and the mechanisms of endocytosis of their complexes with GD2 have been poorly studied. The study investigated the mechanisms of internalization of ganglioside GD2 complexes and the most relevant GD2-specific antibodies of various formats, including full-length antibodies, minibodies, and scFv fragments. It was demonstrated that all the antibody variants used are capable of internalizing into GD2-positive tumor cells and entering their lysosomal compartments. Full-length antibodies and minibodies demonstrate high efficiency of endocytosis in GD2-positive cells, which occurs through several pathways, primarily macropinocytosis and caveolae-mediated endocytosis. The obtained data may be of interest for development of more effective targeted drugs for the treatment of GD2-positive tumors.

About the authors

A. O. Makarova

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences; Lomonosov Moscow State University

Email: khol@mail.ru

Faculty of Biology

Russian Federation, 1117997 Moscow; 119991 Moscow

M. M. Titov

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences; Lomonosov Moscow State University

Email: khol@mail.ru

Faculty of Biology

Russian Federation, 1117997 Moscow; 119991 Moscow

D. V. Kalinovsky

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: khol@mail.ru
Russian Federation, 1117997 Moscow

I. V. Kholodenko

Orekhovich Institute of Biomedical Chemistry

Email: khol@mail.ru
Russian Federation, 119121 Moscow

A. V. Kibardin

Rogachev Federal Research Center of Pediatric Hematology, Oncology and Immunology

Email: khol@mail.ru
Russian Federation, 117997 Moscow

S. S. Larin

Rogachev Federal Research Center of Pediatric Hematology, Oncology and Immunology

Email: khol@mail.ru
Russian Federation, 117997 Moscow

E. V. Svirshchevskaya

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: khol@mail.ru
Russian Federation, 1117997 Moscow

S. M. Deyev

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences; Sechenov First Moscow State Medical University; National Research Center “Kurchatov Institute”

Email: khol@mail.ru
Russian Federation, 1117997 Moscow; 119991 Moscow; 123098 Moscow

R. V. Kholodenko

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences; LLC “Real Target”

Author for correspondence.
Email: khol@mail.ru
Russian Federation, 1117997 Moscow; 108841 Moscow

References

  1. Crescioli, S., Kaplon, H., Wang, L., Visweswaraiah, J., and Kapoor, V. (2025) Antibodies to watch in 2025, mAbs, 17, 2443538, doi: 10.1080/19420862.2024.2443538.
  2. Carter, P. J., and Rajpal, A. (2022) Designing antibodies as therapeutics, Cell, 185, 2789-2805, doi: 10.1016/j.cell.2022.05.029.
  3. Dumontet, C., Reichert, J. M., Senter, P. D., Lambert, J. M., and Beck, A. (2023) Antibody-drug conjugates come of age in oncology, Nat. Rev. Drug Discov., 22, 641-661, doi: 10.1038/s41573-023-00709-2.
  4. Mihaylova, R., Momekova, D., Elincheva, V., and Momekov, G. (2024) Immunoconjugates as an efficient platform for drug delivery: a resurgence of natural products in targeted antitumor therapy, Pharmaceuticals, 17, 1701, doi: 10.3390/ph17121701.
  5. Li, J. H., Liu, L., and Zhao, X. H. (2024) Precision targeting in oncology: the future of conjugated drugs, Biomed. Pharmacother., 177, 117106, doi: 10.1016/j.biopha.2024.117106.
  6. Esapa, B., Jiang, J., Cheung, A., Chenoweth, A., Thurston, D. E., and Karagiannis, S. N. (2023) Target antigen attributes and their contributions to clinically approved antibody-drug conjugates (ADCs) in haematopoietic and solid cancers, Cancers, 15, 1845, doi: 10.3390/cancers15061845.
  7. Corrigan, P. A., Cicci, T. A., Auten, J. J., and Lowe, D. K. (2014) Ado-trastuzumab emtansine: a HER2-positive targeted antibody-drug conjugate, Ann. Pharmacother., 48, 1484-1493, doi: 10.1177/1060028014545354.
  8. Bardia, A., Mayer, I. A., Vahdat, L. T., Tolaney, S. M., Isakoff, S. J., Diamond, J. R., O'Shaughnessy, J., Moroose, R. L., Santin, A. D., Abramson, V. G., Shah, N. C., Rugo, H. S., Goldenberg, D. M., Sweidan, A. M., Iannone, R., Washkowitz, S., Sharkey, R. M., Wegener, W. A., and Kalinsky, K. (2019) Sacituzumab Govitecan-hziy in refractory metastatic triple-negative breast cancer, N. Engl. J. Med., 380, 741-751, doi: 10.1056/NEJMoa1814213.
  9. Rosenberg, J. E., O'Donnell, P. H., Balar, A. V., McGregor, B. A., Heath, E. I., Yu, E. Y., Galsky, M. D., Hahn, N. M., Gartner, E. M., Pinelli, J. M., Liang, S. Y., Melhem-Bertrandt, A., and Petrylak, D. P. (2019) Pivotal trial of Enfortumab Vedotin in urothelial carcinoma after platinum and anti-programmed death 1/programmed death ligand 1 therapy, J. Clin. Onco., 37, 2592-2600, doi: 10.1200/JCO.19.01140.
  10. Gilbert, L., Oaknin, A., Matulonis, U. A., Mantia-Smaldone, G. M., Lim, P. C., Castro, C. M., Provencher, D., Memarzadeh, S., Method, M., Wang, J., Moore, K. N., and O'Malley, D. M. (2023) Safety and efficacy of mirvetuximab soravtansine, a folate receptor alpha (FRα)-targeting antibody-drug conjugate (ADC), in combination with bevacizumab in patients with platinum-resistant ovarian cancer, Gynecol. Oncol., 170, 241-247, doi: 10.1016/j.ygyno.2023.01.020.
  11. Bogani, G., Coleman, R. L., Vergote, I., Raspagliesi, F., Lorusso, D., and Monk, B. J. (2023) Tisotumab vedotin in recurrent or metastatic cervical cancer, Curr. Probl. Cancer, 47, 100952, doi: 10.1016/j.currproblcancer.2023.100952.
  12. Yu, J., Fang, T., Yun, C., Liu, X., and Cai, X. (2022) Antibody-drug conjugates targeting the human epidermal growth factor receptor family in cancers, Front. Mol. Biosci., 9, 847835, doi: 10.3389/fmolb.2022.847835.
  13. Kalinovsky, D. V., Kibardin, A. V., Kholodenko, I. V., Svirshchevskaya, E. V., Doronin, I. I., Konovalova, M. V., Grechikhina, M. V., Rozov, F. N., Larin, S. S., Deyev, S. M., and Kholodenko, R. V. (2022) Therapeutic efficacy of antibody-drug conjugates targeting GD2-positive tumors, JITC, 10, e004646, doi: 10.1136/jitc-2022-004646.
  14. Philippova, J., Shevchenko, J., and Sennikov, S. (2024) GD2-targeting therapy: a comparative analysis of approaches and promising directions, Front. Immunol., 15, 1371345, doi: 10.3389/fimmu.2024.1371345.
  15. Hammood, M., Craig, A. W., and Leyton, J. V. (2021) Impact of endocytosis mechanisms for the receptors targeted by the currently approved antibody-drug conjugates (ADCs)-A necessity for future ADC research and development, Pharmaceuticals, 14, 674, doi: 10.3390/ph14070674.
  16. Aggarwal, D., Yang, J., Salam, M. A., Sengupta, S., Al-Amin, M. Y., Mustafa, S., Khan, M. A., Huang, X., and Pawar, J. S. (2023) Antibody-drug conjugates: the paradigm shifts in the targeted cancer therapy, Front. Immunol., 14, 1203073, doi: 10.3389/fimmu.2023.1203073.
  17. He, J., Zeng, X., Wang, C., Wang, E., and Li, Y. (2024) Antibody-drug conjugates in cancer therapy: mechanisms and clinical studies, MedComm, 5, e671, doi: 10.1002/mco2.671.
  18. Tibbetts, R., Yeo, K. K., Muthugounder, S., Lee, M. H., Jung, C., Porras-Corredor, T., Sheard, M. A, and Asgharzadeh, S. (2022) Anti-disialoganglioside antibody internalization by neuroblastoma cells as a mechanism of immunotherapy resistance, CII, 71, 153-164, doi: 10.1007/s00262-021-02963-y.
  19. Wargalla, U. C., and Reisfeld, R. A. (1989) Rate of internalization of an immunotoxin correlates with cytotoxic activity against human tumor cells, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 86, 5146-5150, doi: 10.1073/pnas.86.13.5146.
  20. Buhtoiarov, I. N., Neal, Z. C., Gan, J., Buhtoiarova, T. N., Patankar, M. S., Gubbels, J. A., Hank, J. A., Yamane, B., Rakhmilevich, A. L., Reisfeld, R. A., Gillies, S. D., and Sondel, P. M. (2011) Differential internalization of hu14.18-IL2 immunocytokine by NK and tumor cell: impact on conjugation, cytotoxicity, and targeting, J. Leukoc. Biol., 89, 625-638, doi: 10.1189/jlb.0710422.
  21. Kalinovsky, D. V., Kholodenko, I. V., Kibardin, A. V., Doronin, I. I., Svirshchevskaya, E. V., Ryazantsev, D. Y., Konovalova, M. V., Rozov, F. N., Larin, S. S., Deyev, S. M., and Kholodenko, R. V. (2023) Minibody-based and scFv-based antibody fragment-drug Conjugates selectively eliminate GD2-positive tumor cells, Int. J. Mol. Sci., 24, 1239, doi: 10.3390/ijms24021239.
  22. Kholodenko, I.V., Kalinovsky, D.V., Svirshchevskaya, E.V., Doronin, I. I., Konovalova, M. V., Kibardin, A. V., Shamanskaya, T. V., Larin, S. S., Deyev, S. M., and Kholodenko, R. V. (2019) Multimerization through pegylation improves pharmacokinetic properties of scFv fragments of GD2-specific antibodies, Molecules, 24, 3835, doi: 10.3390/molecules24213835.
  23. Haraguchi, M., Yamashiro, S., Yamamoto, A., Furukawa, K., Takamiya, K., Lloyd, K. O., Shiku, H., and Furukawa, K. (1994) Isolation of GD3 synthase gene by expression cloning of GM3 alpha-2,8-sialyltransferase cDNA using anti-GD2 monoclonal antibody, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 91, 10455-10459, doi: 10.1073/pnas.91.22.10455.
  24. Nath, N., Godat, B., Zimprich, C., Dwight, S. J., Corona, C., McDougall, M., and Urh, M. (2016) Homogeneous plate based antibody internalization assay using pH sensor fluorescent dye, J. Immunol. Methods, 431, 11-21, doi: 10.1016/j.jim.2016.02.001.
  25. Kalinovsky, D. V., Kholodenko, I. V., Svirshchevskaya, E. V., Kibardin, A. V., Ryazantsev, D. Y., Rozov, F. N., Larin, S. S., Deyev, S. M., and Kholodenko, R. V. (2023) Targeting GD2-positive tumor cells by pegylated scFv fragment-drug conjugates carrying maytansinoids DM1 and DM4, Curr. Issues Mol. Biol., 45, 8112-8125, doi: 10.3390/cimb45100512.
  26. Rennick, J. J., Johnston, A. P. R., and Parton, R. G. (2021) Key principles and methods for studying the endocytosis of biological and nanoparticle therapeutics, Nat. Nanotechnol., 16, 266-276, doi: 10.1038/s41565-021-00858-8.
  27. Sandvig, K., Kavaliauskiene, S., and Skotland, T. (2018) Clathrin-independent endocytosis: an increasing degree of complexity, Histochem. Cell Biol., 150, 107-118, doi: 10.1007/s00418-018-1678-5.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».