Engineering antibody fragments: replicating the immune system and beyond

Since genetic engineering of humanized murine monoclonal antibodies was fi rst demonstrated over two decades ago, antibody engineering technologies have evolved based upon an increasing understanding of the mechanisms involved in antibody generation in vivo, and a constant search for alternative routes to evolve and exploit the characteristics of antibodies. As a result, antibody engineers have devised innovative strategies for the rapid evolution and selection of antibodies and novel antibody designs (i.e., antibody fragments). Phage display, cell display and ribosome display technologies, which comprise the core of the currently available technologies for the discovery and preparation of such antibodies, are reviewed herein. This article intends to communicate the state-of-the-art technology available for the engineering of antibodies to a general readership interested in this important fi eld. Therefore, important immunology concepts are introduced before detailed descriptions of the three antibody engineering technologies are presented in later sections. A comparison of these methodologies suggests that despite the predominance of phage display for the engineering of antibody fragments in the past 20 years, cell display and ribosome display will likely gain importance in the selection and discovery of the antibody fragments in the future. Finally, these technologies are likely to play an important role in the production of the next generation of antibody-based therapeutics. Keywords— Antibody engineering, Phase display, Cell display, Ribosome display, Antibody humanization. Resumen—Las tecnologías para la ingeniería de anticuerpos han evolucionado durante las últimas dos décadas, desde la demostración de la posibilidad de humanizar anticuerpos monoclonales de ratón mediante ingeniería genética, apoyadas en el creciente entendimiento de los mecanismos involucrados en la generación de anticuerpos in vivo, y en una búsqueda constante de rutas alternativas para evolucionar y explotar sus características. Es así como los ingenieros de anticuerpos han desarrollado estrategias innovadoras para la evolución y selección de anticuerpos y de novedosos diseños de anticuerpos conocidos como fragmentos de anticuerpos. Esta revisión se enfoca en tres tecnologías que comprenden el núcleo de las tecnologías actualmente disponibles para el descubrimiento y preparación de tales anticuerpos: la presentación en fagos, la presentación en células, y la presentación en ribosomas. Este artículo busca presentar el estado del arte de estas tecnologías a un grupo general de lectores interesados en este campo, por lo que inicialmente se introducen importantes conceptos de inmunología requeridos para comprender en detalle las tecnologías discutidas. Una comparación de estas metodologías para la ingeniería de anticuerpos sugiere que a pesar del dominio de las tecnologías basadas en la presentación en fagos durante los últimos 20 años, en los próximos años la presentación en células y la presentación en ribosomas probablemente ganarán importancia para la selección y descubrimiento de fragmentos de anticuerpos. Finalmente, es probable que estas tecnologías jueguen un papel importante en la producción de la siguiente generación de terapéuticos basados en anticuerpos. Palabras clave— Ingeniería de anticuerpos, Presentación en fagos, Presentación en células, Presentación en ribosomas, humanización de anticuerpos. Revista Ingeniería Biomédica ISSN 1909-9762, volumen 4, número 7, enero-junio 2010, págs. 39-51 Escuela de Ingeniería de Antioquia-Universidad CES, Medellín, Colombia Ψ Contact e-mail: [email protected] 40 REVISTA INGENIERÍA BIOMÉDICA