Human monoclonal antibodies as candidate therapeutics against emerging viruses

Yujia Jin , Cheng Lei , Dan Hu , Dimiter S. Dimitrov , Tianlei Ying

Front. Med. ›› 2017, Vol. 11 ›› Issue (4) : 462 -470.

PDF (185KB)
Front. Med. ›› 2017, Vol. 11 ›› Issue (4) : 462 -470. DOI: 10.1007/s11684-017-0596-6
REVIEW
REVIEW

Human monoclonal antibodies as candidate therapeutics against emerging viruses

Author information +
History +
PDF (185KB)

Abstract

The emergence of new pathogens, such as severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV), Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV), and Ebola virus, poses serious challenges to global public health and highlights the urgent need for novel antiviral approaches. Monoclonal antibodies (mAbs) have been successfully used to treat various diseases, particularly cancer and immunological disorders. Antigen-specific mAbs have been isolated using several different approaches, including hybridoma, transgenic mice, phage display, yeast display, and single B-cell isolation. Consequently, an increasing number of mAbs, which exhibit high potency against emerging viruses in vitro and in animal models of infection, have been developed. In this paper, we summarize historical trends and recent developments in mAb discovery, compare the advantages and disadvantages of various approaches to mAb production, and discuss the potential use of such strategies for the development of antivirals against emerging diseases. We also review the application of recently developed human mAbs against SARS-CoV, MERS-CoV, and Ebola virus and discuss prospects for the development of mAbs as therapeutic agents against emerging viral diseases.

Keywords

human monoclonal antibodies / emerging infectious diseases / SARS-CoV / MERS-CoV / Ebola virus

Cite this article

Download citation ▾
Yujia Jin, Cheng Lei, Dan Hu, Dimiter S. Dimitrov, Tianlei Ying. Human monoclonal antibodies as candidate therapeutics against emerging viruses. Front. Med., 2017, 11(4): 462-470 DOI:10.1007/s11684-017-0596-6

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

References

[1]

Drosten CGünther SPreiser Wvan der Werf SBrodt HRBecker SRabenau HPanning MKolesnikova LFouchier RABerger ABurguière AMCinatl JEickmann MEscriou NGrywna KKramme SManuguerra JCMüller SRickerts VStürmer MVieth SKlenk HDOsterhaus ADSchmitz HDoerr HW. Identification of a novel coronavirus in patients with severe acute respiratory syndrome. N Engl J Med 2003348(20): 1967–1976 

[2]

Ksiazek TGErdman DGoldsmith CSZaki SRPeret TEmery STong SUrbani CComer JALim WRollin PEDowell SFLing AEHumphrey CDShieh WJGuarner JPaddock CDRota PFields BDeRisi JYang JYCox NHughes JMLeDuc JWBellini WJAnderson LJ; SARS Working Group. A novel coronavirus associated with severe acute respiratory syndrome. N Engl J Med 2003348(20): 1953–1966

[3]

Peiris JSLai STPoon LLGuan YYam LYLim WNicholls JYee WKYan WWCheung MTCheng VCChan KHTsang DNYung RWNg TKYuen KY; SARS study group. Coronavirus as a possible cause of severe acute respiratory syndrome. Lancet  2003361(9366): 1319–1325 

[4]

Fouchier RAKuiken TSchutten Mvan Amerongen Gvan Doornum GJvan den Hoogen BGPeiris MLim WStöhr KOsterhaus AD. Aetiology: Koch’s postulates fulfilled for SARS virus. Nature 2003423(6937): 240 

[5]

Kuiken TFouchier RASchutten MRimmelzwaan GFvan Amerongen Gvan Riel DLaman JDde Jong Tvan Doornum GLim WLing AEChan PKTam JSZambon MCGopal RDrosten Cvan der Werf SEscriou NManuguerra JCStöhr KPeiris JSOsterhaus AD. Newly discovered coronavirus as the primary cause of severe acute respiratory syndrome. Lancet 2003362(9380): 263–270 

[6]

World Health Organization. WHO SARS Risk Assessment and Preparedness Framework. See www.who.int/entity/csr/resources/publications/CDS_CSR_ARO_2004_2.pdf2014

[7]

Feldmann HGeisbert TW. Ebola haemorrhagic fever. Lancet  2011377(9768): 849–862 

[8]

World Health Organization. Ebola Situation Report — 30 March 2016. See 160;2016

[9]

Lyon GMMehta AKVarkey JBBrantly KPlyler LMcElroy AKKraft CSTowner JSSpiropoulou CStröher UUyeki TMRibner BS; Emory Serious Communicable Diseases Unit. Clinical care of two patients with Ebola virus disease in the United States. N Engl J Med  2014371(25): 2402–2409 

[10]

Winau FWinau R. Emil von Behring and serum therapy. Microbes Infect 20024(2): 185–188 

[11]

Berry JDGaudet RG. Antibodies in infectious diseases: polyclonals, monoclonals and niche biotechnology. N Biotechnol 201128(5): 489–501 

[12]

Casadevall A. Passive antibody therapies: progress and continuing challenges. Clin Immunol 199993(1): 5–15 

[13]

Dimitrov DSMarks JD. Therapeutic antibodies: current state and future trends— is a paradigm change coming soon? Methods Mol Biol 2009525: 1–27, xiii 160;

[14]

Zhu ZDimitrov ASChakraborti SDimitrova DXiao XBroder CCDimitrov DS. Development of human monoclonal antibodies against diseases caused by emerging and biodefense-related viruses. Expert Rev Anti Infect Ther 20064(1): 57–66 

[15]

Shulman MWilde CDKöhler G. A better cell line for making hybridomas secreting specific antibodies. Nature 1978276(5685): 269–270 

[16]

Smith GP. Filamentous fusion phage: novel expression vectors that display cloned antigens on the virion surface. Science 1985228(4705): 1315–1317 160;

[17]

Smith GPPetrenko VA. Phage Display. Chem Rev 199797(2): 391–410 

[18]

Gao CMao SKaufmann GWirsching PLerner RAJanda KD. A method for the generation of combinatorial antibody libraries using pIX phage display. Proc Natl Acad Sci USA  200299(20): 12612–12616 

[19]

McCafferty JFitzgerald KJEarnshaw JChiswell DJLink JSmith RKenten J. Selection and rapid purification of murine antibody fragments that bind a transition-state analog by phage display. Appl Biochem Biotechnol 199447(2-3): 157–173 

[20]

Davies ELSmith JSBirkett CRManser JMAnderson-Dear DVYoung JR. Selection of specific phage-display antibodies using libraries derived from chicken immunoglobulin genes. J Immunol Methods  1995186(1): 125–135 

[21]

Sok DBriney BJardine JGKulp DWMenis SPauthner MWood ALee ECLe KMJones MRamos AKalyuzhniy OAdachi YKubitz MMacPherson SBradley AFriedrich GASchief WRBurton DR. Priming HIV-1 broadly neutralizing antibody precursors in human Ig loci transgenic mice. Science 2016353(6307): 1557–1560 

[22]

Murphy AJMacdonald LEStevens SKarow MDore ATPobursky KHuang TTPoueymirou WTEsau LMeola MMikulka WKrueger PFairhurst JValenzuela DMPapadopoulos NYancopoulos GD. Mice with megabase humanization of their immunoglobulin genes generate antibodies as efficiently as normal mice. Proc Natl Acad Sci USA 2014111(14): 5153–5158 

[23]

Lipke PNKurjan J. Sexual agglutination in budding yeasts: structure, function, and regulation of adhesion glycoproteins. Microbiol Rev 199256(1): 180–194 

[24]

Boder ETWittrup KD. Yeast surface display for directed evolution of protein expression, affinity, and stability. Methods Enzymol 2000328: 430–444 

[25]

Boder ETWittrup KD. Yeast surface display for screening combinatorial polypeptide libraries. Nat Biotechnol 199715(6): 553–557

[26]

Kieke MCCho BKBoder ETKranz DMWittrup KD. Isolation of anti-T cell receptor scFv mutants by yeast surface display. Protein Eng 199710(11): 1303–1310 

[27]

Wardemann HYurasov SSchaefer AYoung JWMeffre ENussenzweig MC. Predominant autoantibody production by early human B cell precursors. Science 2003301(5638): 1374–1377 

[28]

Walker LMPhogat SKChan-Hui PYWagner DPhung PGoss JLWrin TSimek MDFling SMitcham JLLehrman JKPriddy FHOlsen OAFrey SMHammond PW; Protocol G Principal Investigators, Kaminsky S, Zamb T, Moyle M, Koff WC, Poignard P, Burton DR. Broad and potent neutralizing antibodies from an African donor reveal a new HIV-1 vaccine target. Science 2009326(5950): 285–289 

[29]

Walker LMHuber MDoores KJFalkowska EPejchal RJulien JPWang SKRamos AChan-Hui PYMoyle MMitcham JLHammond PWOlsen OAPhung PFling SWong CHPhogat SWrin TSimek MD; Protocol G Principal Investigators, Koff WC, Wilson IA, Burton DR, Poignard P. Broad neutralization coverage of HIV by multiple highly potent antibodies. Nature 2011477(7365): 466–470 

[30]

Traggiai EBecker SSubbarao KKolesnikova LUematsu YGismondo MRMurphy BRRappuoli RLanzavecchia A. An efficient method to make human monoclonal antibodies from memory B cells: potent neutralization of SARS coronavirus. Nat Med  200410(8): 871–875 160;

[31]

Aman PEhlin-Henriksson BKlein G. Epstein-Barr virus susceptibility of normal human B lymphocyte populations. J Exp Med  1984159(1): 208–220 

[32]

Brès P. The epidemic of Ebola haemorrhagic fever in Sudan and Zaire, 1976: introductory note. Bull World Health Organ 197856(2): 245 307454

[33]

Li HYing TYu FLu LJiang S. Development of therapeutics for treatment of Ebola virus infection. Microbes Infect  201517(2): 109–117 

[34]

Ka DFall GDiallo VCFaye OFortes LDFaye OBah EIDiallo KMBalique FNdour CTSeydi MSall AA. Ebola virus imported from Guinea to Senegal, 2014. Emerg Infect Dis  201723(6): 1026–1028 

[35]

Li YHChen SP. Evolutionary history of Ebola virus. Epidemiol Infect 2014142(6): 1138–1145 

[36]

Huang YXu LSun YNabel GJ. The assembly of Ebola virus nucleocapsid requires virion-associated proteins 35 and 24 and posttranslational modification of nucleoprotein. Mol Cell 200210(2): 307–316 160;

[37]

Geisbert TWJahrling PB. Differentiation of filoviruses by electron microscopy. Virus Res 199539(2-3): 129–150 

[38]

Lee JEFusco MLHessell AJOswald WBBurton DRSaphire EO. Structure of the Ebola virus glycoprotein bound to an antibody from a human survivor. Nature 2008454(7201): 177–182 160;

[39]

Hood CLAbraham JBoyington JCLeung KKwong PDNabel GJ. Biochemical and structural characterization of cathepsin L-processed Ebola virus glycoprotein: implications for viral entry and immunogenicity. J Virol 201084(6): 2972–2982 

[40]

Richardson JSYao MKTran KNCroyle MAStrong JEFeldmann HKobinger GP. Enhanced protection against Ebola virus mediated by an improved adenovirus-based vaccine. PLoS One 20094(4): e5308 

[41]

Jones SMFeldmann HStröher UGeisbert JBFernando LGrolla AKlenk HDSullivan NJVolchkov VEFritz EADaddario KMHensley LEJahrling PBGeisbert TW. Live attenuated recombinant vaccine protects nonhuman primates against Ebola and Marburg viruses. Nat Med 200511(7): 786–790 

[42]

Warfield KLSwenson DLOlinger GGKalina WVAman MJBavari S. Ebola virus-like particle-based vaccine protects nonhuman primates against lethal Ebola virus challenge. J Infect Dis 2007196(Supplement_2): S430–S437

[43]

Dowling WThompson EBadger CMellquist JLGarrison ARSmith JMParagas JHogan RJSchmaljohn C. Influences of glycosylation on antigenicity, immunogenicity, and protective efficacy of Ebola virus GP DNA vaccines. J Virol 200781(4): 1821–1837 

[44]

Qiu XFernando LAlimonti JBMelito PLFeldmann FDick DStröher UFeldmann HJones SM. Mucosal immunization of cynomolgus macaques with the VSVDeltaG/ZEBOVGP vaccine stimulates strong ebola GP-specific immune responses. PLoS One 20094(5): e5547 

[45]

Qiu XAudet JWong GPillet SBello ACabral TStrong JEPlummer FCorbett CRAlimonti JB. Successful treatment of Ebola virus–infected cynomolgus macaques with monoclonal antibodies. Sci Transl Med 20124(138): 138ra81

[46]

Olinger GG JrPettitt JKim DWorking CBohorov OBratcher BHiatt EHume SDJohnson AKMorton JPauly MWhaley KJLear CMBiggins JEScully CHensley LZeitlin L. Delayed treatment of Ebola virus infection with plant-derived monoclonal antibodies provides protection in rhesus macaques. Proc Natl Acad Sci USA 2012109(44): 18030–18035 

[47]

Kugelman JRKugelman-Tonos JLadner JTPettit JKeeton CMNagle ERGarcia KYFroude JWKuehne AIKuhn JHBavari SZeitlin LDye JMOlinger GGSanchez-Lockhart MPalacios GF. Emergence of Ebola virus escape variants in infected nonhuman primates treated with the MB-003 antibody cocktail. Cell Reports 201512(12): 2111–2120 

[48]

Qiu XWong GAudet JBello AFernando LAlimonti JBFausther-Bovendo HWei HAviles JHiatt EJohnson AMorton JSwope KBohorov OBohorova NGoodman CKim DPauly MHVelasco JPettitt JOlinger GGWhaley KXu BStrong JEZeitlin LKobinger GP. Reversion of advanced Ebola virus disease in nonhuman primates with ZMapp. Nature 2014514(7520): 47–53 

[49]

Corti DMisasi JMulangu SStanley DAKanekiyo MWollen SPloquin ADoria-Rose NAStaupe RPBailey MShi WChoe MMarcus HThompson EACagigi ASilacci CFernandez-Rodriguez BPerez LSallusto FVanzetta FAgatic GCameroni EKisalu NGordon ILedgerwood JEMascola JRGraham BSMuyembe-Tamfun JJTrefry JCLanzavecchia ASullivan NJ. Protective monotherapy against lethal Ebola virus infection by a potently neutralizing antibody. Science 2016351(6279): 1339–1342 

[50]

Misasi JGilman MSKanekiyo MGui MCagigi AMulangu SCorti DLedgerwood JELanzavecchia ACunningham JMuyembe-Tamfun JJBaxa UGraham BSXiang YSullivan NJMcLellan JS. Structural and molecular basis for Ebola virus neutralization by protective human antibodies. Science 2016351(6279): 1343–1346

[51]

Dowall SDCallan JZeltina AAl-Abdulla IStrecker TFehling SKKrähling VBosworth ARayner ETaylor ICharlton SLandon JCameron IHewson RNasidi ABowden TACarroll MW. Development of a cost-effective ovine polyclonal antibody-based product, EBOTAb, to treat Ebola virus infection. J Infect Dis 2016213(7): 1124–1133 

[52]

Li WMoore MJVasilieva NSui JWong SKBerne MASomasundaran MSullivan JLLuzuriaga KGreenough TCChoe HFarzan M. Angiotensin-converting enzyme 2 is a functional receptor for the SARS coronavirus. Nature 2003426(6965): 450–454 160;

[53]

Poutanen SMLow DEHenry BFinkelstein SRose DGreen KTellier RDraker RAdachi DAyers MChan AKSkowronski DMSalit ISimor AESlutsky ASDoyle PWKrajden MPetric MBrunham RCMcGeer AJ; National Microbiology Laboratory, Canada; Canadian Severe Acute Respiratory Syndrome Study Team. Identification of severe acute respiratory syndrome in Canada. N Engl J Med 2003348(20): 1995–2005 

[54]

Qin EZhu QYu MFan BChang GSi BYang BPeng WJiang TLiu BDeng YLiu HZhang YWang CLi YGan YLi X FTan GCao WYang RWang JLi WXu ZLi YWu QLin WChen WTang LDeng YHan YLi CLei MLi GLi W HShi JTong ZZhang FLi SLiu BLiu SDong WWang JWong GKSYu JYang H. A complete sequence and comparative analysis of a SARS-associated virus (Isolate BJ01). Chin Sci Bull 200348(10): 941–948 

[55]

Gallagher TMBuchmeier MJ. Coronavirus spike proteins in viral entry and pathogenesis. Virology 2001279(2): 371–374 

[56]

Moore KMJackwood MWHilt DA. Identification of amino acids involved in a serotype and neutralization specific epitope within the s1 subunit of avian infectious bronchitis virus. Arch Virol  1997142(11): 2249–2256 

[57]

Sui JLi WMurakami ATamin AMatthews LJWong SKMoore MJTallarico ASCOlurinde MChoe HAnderson LJBellini WJFarzan MMarasco WA. Potent neutralization of severe acute respiratory syndrome (SARS) coronavirus by a human mAb to S1 protein that blocks receptor association. Proc Natl Acad Sci USA 2004101(8): 2536–2541 

[58]

Sui JLi WRoberts AMatthews LJMurakami AVogel LWong SKSubbarao KFarzan MMarasco WA. Evaluation of human monoclonal antibody 80R for immunoprophylaxis of severe acute respiratory syndrome by an animal study, epitope mapping, and analysis of spike variants. J Virol 200579(10): 5900–5906 

[59]

Yang ZYWerner HCKong WPLeung KTraggiai ELanzavecchia ANabel GJ. Evasion of antibody neutralization in emerging severe acute respiratory syndrome coronaviruses. Proc Natl Acad Sci USA 2005102(3): 797–801 

[60]

Zhu ZChakraborti SHe YRoberts ASheahan TXiao XHensley LEPrabakaran PRockx BSidorov IACorti DVogel LFeng YKim JOWang LFBaric RLanzavecchia ACurtis KMNabel GJSubbarao KJiang SDimitrov DS. Potent cross-reactive neutralization of SARS coronavirus isolates by human monoclonal antibodies. Proc  Natl  Acad  Sci  USA 2007104(29): 12123–12128

[61]

van Boheemen Sde Graaf MLauber CBestebroer TMRaj VSZaki AMOsterhaus ADHaagmans BLGorbalenya AESnijder EJFouchier RA. Genomic characterization of a newly discovered coronavirus associated with acute respiratory distress syndrome in humans. MBio 20123(6): e00473–e12 

[62]

Al-Tawfiq JAMemish ZA. Middle East respiratory syndrome coronavirus: epidemiology and disease control measures. Infect Drug Resist 20147: 281–287 25395865

[63]

Butler D. Receptor for new coronavirus found. Nature 2013495(7440): 149–150 

[64]

Peiris JSGuan YYuen KY. Severe acute respiratory syndrome. Nat Med 200410(12 Suppl): S88–S97

[65]

Al-Tawfiq JAMemish ZA. An update on Middle East respiratory syndrome: 2 years later. Expert Rev Respir Med 20159(3): 327–335 160;

[66]

Lu GHu YWang QQi JGao FLi YZhang YZhang WYuan YBao JZhang BShi YYan JGao GF. Molecular basis of binding between novel human coronavirus MERS-CoV and its receptor CD26. Nature 2013500(7461): 227–231 

[67]

Gorrell MDGysbers VMcCaughan GW. CD26: a multifunctional integral membrane and secreted protein of activated lymphocytes. Scand J Immunol 200154(3): 249–264 

[68]

Yang YDu LLiu CWang LMa CTang JBaric RSJiang SLi F. Receptor usage and cell entry of bat coronavirus HKU4 provide insight into bat-to-human transmission of MERS coronavirus. Proc Natl Acad Sci USA 2014111(34): 12516–12521 

[69]

Ying TDu LJu TWPrabakaran PLau CCLu LLiu QWang LFeng YWang YZheng BJYuen KYJiang SDimitrov DS. Exceptionally potent neutralization of Middle East respiratory syndrome coronavirus by human monoclonal antibodies. J Virol 201488(14): 7796–7805 

[70]

Jiang LWang NZuo TShi XPoon KMWu YGao FLi DWang RGuo JFu LYuen KYZheng BJWang XZhang L. Potent neutralization of MERS-CoV by human neutralizing monoclonal antibodies to the viral spike glycoprotein. Sci Transl Med 20146(234): 234ra59 

[71]

Tang XCAgnihothram SSJiao YStanhope JGraham RLPeterson ECAvnir YTallarico ASSheehan JZhu QBaric RSMarasco WA. Identification of human neutralizing antibodies against MERS-CoV and their role in virus adaptive evolution. Proc Natl Acad Sci USA  2014111(19): E2018–E2026 

[72]

Ying TPrabakaran PDu LShi WFeng YWang YWang LLi WJiang SDimitrov DSZhou T. Junctional and allele-specific residues are critical for MERS-CoV neutralization by an exceptionally potent germline-like antibody. Nat Commun 20156: 8223 

[73]

Corti DPassini NLanzavecchia AZambon M. Rapid generation of a human monoclonal antibody to combat Middle East respiratory syndrome. J Infect Public Health 20169(3): 231–235

[74]

Pascal KEColeman CMMujica AOKamat VBadithe AFairhurst JHunt CStrein JBerrebi ASisk JMMatthews KLBabb RChen GLai KMHuang TTOlson WYancopoulos GDStahl NFrieman MBKyratsous CA. Pre- and postexposure efficacy of fully human antibodies against Spike protein in a novel humanized mouse model of MERS-CoV infection. Proc Natl Acad Sci USA 2015112(28): 8738–8743 

[75]

Bossart KNGeisbert TWFeldmann HZhu ZFeldmann FGeisbert JBYan LFeng YRBrining DScott DWang YDimitrov ASCallison JChan YPHickey ACDimitrov DSBroder CCRockx B. A neutralizing human monoclonal antibody protects african green monkeys from hendra virus challenge. Sci Transl Med 20113(105): 105ra103 

[76]

Geisbert TWMire CEGeisbert JBChan YPAgans KNFeldmann FFenton KAZhu ZDimitrov DSScott DPBossart KNFeldmann HBroder CC. Therapeutic treatment of Nipah virus infection in nonhuman primates with a neutralizing human monoclonal antibody. Sci Transl Med 20146(242): 242ra82 

[77]

Roopenian DCAkilesh S. FcRn: the neonatal Fc receptor comes of age. Nat Rev Immunol 20077(9): 715–725 

[78]

Wang LYing T. New directions for half-life extension of protein therapeutics: the rise of antibody Fc domains and fragments. Curr Pharm Biotechnol 201617(15): 1348–1352 

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany

AI Summary AI Mindmap
PDF (185KB)

1837

Accesses

0

Citation

Detail

Sections
Recommended

AI思维导图

/