Research progress of antibody coupling technique in targeted drug delivery

Abstract

Antibody-drug conjugates are a cutting-edge biotechnology recently attracting wide attention in the medical field. Binding antibodies to drug molecules could deliver drugs precisely to the site of the lesion, which shows great potential in the treatment of tumors and immune diseases. In this paper, we outlined the current popular antibody-coupling techniques and summarized various common antibody-coupling techniques, including antibody-coupled small toxic molecules, antibody-coupled oligenucleotides, antibody-coupled cells, and antibody-coupled polymers. It provided a new therapeutic strategy and means for targeted drug delivery technology. Finally, we discussed the challenges and future development of the antibody-drug conjugates.

Keywords

antibody coupling technology / antibody-conjugated cells / antibody-conjugated oligonucleotides / antibody-conjugated polymers / antibody-conjugated small toxic molecules / targeted drug delivery

References

[1] S. E. Strome, E. A. Sausville, D. Mann, Oncologist 2007, 12, 1084.

[2] R. Jefferis, Expert Opin. Biol. Ther. 2007, 7, 1401.

[3] J. Guo, S. Kumar, M. Chipley, O. Marcq, D. Gupta, Z. Jin, D. S. Tomar, C. Swabowski, J. Smith, J. A. Starkey, S. K. Singh, Bioconjug. Chem. 2016, 27, 604.

[4] K. J. Hamblett, P. D. Senter, D. F. Chace, M. M. C. Sun, J. Lenox, C. G. Cerveny, K. M. Kissler, S. X. Bernhardt, A. K. Kopcha, R. F. Zabinski, D. L. Meyer, J. A. Francisco, Clin. Cancer Res. 2004, 10, 7063.

[5] X. Wang, X. Luo, Y. Tian, T. Wu, J. Weng, Z. Li, F. Ye, X. Huang, ACS Chem. Biol. 2021, 16, 724.

[6] M. Li, X. Zhao, C. Yu, L. Wang, Pharm. Res. 2024, 41, 419.

[7] J. Harper, S. Mao, P. Strout, A. Kamal, Methods Mol. Biol. Clifton NJ 2013, 1045, 41.

[8] B. J. Booth, B. Ramakrishnan, K. Narayan, A. M. Wollacott, G. J. Babcock, Z. Shriver, K. Viswanathan, mAbs 2018, 10, 1098.

[9] E. M. Yoo, L. A. Wims, L. A. Chan, S. L. Morrison, J. Immunol. 2003, 170, 3134.

[10] J. G. Salfeld, Nat. Biotechnol. 2007, 25, 1369.

[11] M. Van Der Neut Kolfschoten, J. Schuurman, M. Losen, W. K. Bleeker, P. Martínez-Martínez, E. Vermeulen, T. H. den Bleker, L. Wiegman, T. Vink, L. A. Aarden, M. H. De Baets, J. G. van de Winkel, R. C. Aalberse, P. W. H. I. Parren, Science 2007, 317, 1554.

[12] J. M. Lambert, A. Berkenblit, Annu. Rev. Med. 2018, 69, 191.

[13] C. A. Vater, V. S. Goldmacher, in Macromolecular Anticancer Therapeutics, Springer 2010, pp. 331-369.

[14] L. Mecklenburg, Toxicol. Pathol. 2018, 46, 746.

[15] J. Dugal-Tessier, S. Thirumalairajan, N. Jain, J. Clin. Med. 2021, 10, 838.

[16] J. Li, M. Chen, Z. Liu, L. Zhang, B. H. Felding, K. W. Moremen, G. Lauvau, M. Abadier, K. Ley, P. Wu, ACS Cent. Sci. 2018, 4, 1633.

[17] L. Sun, W. M. Huang, Z. Ding, Y. Zhao, C. Wang, H. Purnawali, C. Tang, Mater. Des. 2012, 33, 577.

[18] John M. Lambert, Mol. Pharm. 2015, 12, 1701.

[19] B. H. Petersen, S. V. DeHerdt, D. W. Schneck, T. F. Bumol, Cancer Res. 1991, 51, 2286.

[20] K. J. Norsworthy, C. W. Ko, J. E. Lee, J. Liu, C. S. John, D. Przepiorka, A. T. Farrell, R. Pazdur, Oncologist 2018, 23, 1103.

[21] P. R. Hamann, M. S. Berger, Mylotarg, in Tumor Targeting in Cancer Therapy (Ed: M. Pagé), Humana Press, Totowa, New Jersey 2002, pp. 239-254.

[22] J. R. McCombs, S. C. Owen, AAPS J. 2015, 17, 339.

[23] C. D. Pazo, K. Nawaz, R. M. Webster, Nat. Rev. Drug Discov. 2021, 8, 20.

[24] J. M. Sasso, R. Tenchov, R. Bird, K. A. Iyer, K. Ralhan, Y. Rodriguez, Q. A. Zhou, Bioconjug. Chem. 2023, 34, 1951.

[25] J. Harper, S. Mao, P. Strout, A. Kamal, Methods Mol. Biol. 2013, 1045, 41.

[26] J. A. Flygare, T. H. Pillow, P. Aristoff, Chem. Biol. Drug Des. 2013, 81, 113.

[27] J. Yu, S. Wu, R. Li, Y. Jiang, J. Zheng, Z. Li, M. Li, K. Xin, X. Guan, X. Chen, J. Hematol. Oncol J. Hematol. Oncol. 2023, 16, 85.

[28] D. Y. Jackson, Org. Process Res. Dev. 2016, 20, 852.

[29] Z. Fu, S. Li, S. Han, C. Shi, Y. Zhang, Signal. Transduct Target Ther. 2022, 7, 93.

[30] M. Morais, N. Forte, V. Chudasama, J. R. Baker, Methods Mol. Biol. 2019, 2033.

[31] F. F. Schumacher, J. P. M. Nunes, A. Maruani, V. Chudasama, M. E. B. Smith, K. A. Chester, J. R. Baker, S. Caddick, Org. Biomol. Chem. 2014, 12, 7261.

[32] J. R. Junutula, H. Raab, S. Clark, S. Bhakta, D. D. Leipold, S. Weir, Y. Chen, M. Simpson, S. P. Tsai, M. S. Dennis, Y. Lu, Y. G. Meng, C. Ng, J. Yang, C. C. Lee, E. Duenas, J. Gorrell, V. Katta, A. Kim, K. McDorman, K. Flagella, R. Venook, S. Ross, S. D. Spencer, W. Lee Wong, H. B. Lowman, R. Vandlen, M. X. Sliwkowski, R. H. Scheller, P. Polakis, W. Mallet, Nat. Biotechnol. 2008, 26, 925.

[33] L. Wang, A. Brock, B. Herberich, P. G. Schultz, Science 2001, 292, 498.

[34] T. J. Hallam, V. V. Smider, Future Med. Chem. 2014, 6, 1309.

[35] T. J. Hallam, E. Wold, A. Wahl, V. V. Smider, Mol. Pharm. 2015, 12, 1848.

[36] P. Adumeau, S. K. Sharma, C. Brent, B. M. Zeglis, Mol. Imaging Biol. 2016, 18, 153.

[37] B. M. utchins, S. A. Kazane, K. Staflin, J. S. Forsyth, B. Felding-Habermann, P. G. Schultz, V. V. Smider, J. Mol. Biol. 2011, 406, 595.

[38] Z. Dai, X. N. Zhang, F. Nasertorabi, Q. Cheng, J. Li, B. B. Katz, G. Smbatyan, H. Pei, S. G. Louie, H. J. Lenz, R. C. Stevens, Y. Zhang, Sci. Adv. 2020, 6, eaba6752.

[39] P. Strop, K. Delaria, D. Foletti, J. M. Witt, A. Hasa-Moreno, K. Poulsen, M. G. Casas, M. Dorywalska, S. Farias, A. Pios, V. Lui, R. Dushin, D. Zhou, T. Navaratnam, T. T. Tran, J. Sutton, K. C. Lindquist, B. Han, S. H. Liu, D. L. Shelton, J. Pons, A. Rajpal, Nat. Biotechnol. 2015, 33, 694.

[40] K. Zuberbühler, G. Casi, G. J. L. Bernardes, D. Neri, Chem. Commun. 2012, 48, 7100.

[41] X. Li, T. Fang, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 7179.

[42] S. Jeger, K. Zimmermann, A. Blanc, J. Grünberg, M. Honer, P. Hunziker, H. Struthers, R. Schibli, Angew. Chem. 2010, 49, 9995.

[43] P. Dennler, A. Chiotellis, E. Fischer, D. Brégeon, C. Belmant, L. Gauthier, F. Lhospice, F. Romagne, R. Schibli, Bioconjug. Chem. 2014, 25, 569.

[44] P. K. Mahalingaiah, R. Ciurlionis, K. R. Durbin, R. L. Yeager, B. K. Philip, B. Bawa, S. R. Mantena, B. P. Enright, M. J. Liguori, T. R. Van Vleet, Pharmacol. Ther. 2019, 200, 110.

[45] F. Y. Su, S. Srinivasan, B. Lee, J. Chen, A. J. Convertine, T. E. West, D. M. Ratner, S. J. Skerrett, P. S. Stayton, J. Control. Release 2018, 287, 1.

[46] N. Jain, S. W. Smith, S. Ghone, B. Tomczuk, Pharm. Res. 2015, 32, 3526.

[47] Y. Xue, H. Bai, B. Peng, B. Fang, J. Baell, L. Li, W. Huang, N. H. Voelcker, Chem. Soc. Rev. 2021, 50, 4872.

[48] H. Maecker, V. Jonnalagadda, S. Bhakta, V. Jammalamadaka, J. R. Junutula, mAbs 2023, 15, 2229101.

[49] P. Tarantino, B. Ricciuti, S. M. Pradhan, S. M. Tolaney, Nat. Rev. Clin. Oncol. 2023, 20, 558.

[50] K. Tsuchikama, Y. Anami, S. Y. Y. Ha, C. M. Yamazaki, Nat. Rev. Clin. Oncol. 2024, 21, 203.

[51] M. Egli, M. Manoharan, Nucleic Acids Res. 2023, 51, 2529.

[52] M. Cochran, D. Arias, R. Burke, D. Chu, G. Erdogan, M. Hood, P. Kovach, H. W. Kwon, Y. Chen, M. Moon, C. D. Miller, H. Huang, A. Levin, V. R. Doppalapudi, J. Med. Chem. 2024, 67, 67.

[53] M. M. Janas, M. K. Schlegel, C. E. Harbison, V. O. Yilmaz, Y. Jiang, R. Parmar, I. Zlatev, A. Castoreno, H. Xu, S. Shulga-Morskaya, K. G. Rajeev, M. Manoharan, N. D. Keirstead, M. A. Maier, V. Jadhav, Nat. Commun. 2018, 9, 723.

[54] K. Brown, J. K. Nair, M. M. Janas, Y. I. Anglero-Rodriguez, L. T. H. Dang, H. Peng, C. S. Theile, E. Castellanos-Rizaldos, C. Brown, D. Foster, J. Kurz, J. Allen, R. Maganti, J. Li, S. Matsuda, M. Stricos, T. Chickering, M. Jung, K. Wassarman, J. Rollins, L. Woods, A. Kelin, D. C. Guenther, M. W. Mobley, J. Petrulis, R. McDougall, T. Racie, J. Bombardier, D. Cha, S. Agarwal, L. Johnson, Y. Jiang, S. Lentini, J. Gilbert, T. Nguyen, S. Chigas, S. LeBlanc, U. Poreci, A. Kasper, A. B. Rogers, S. Chong, W. Davis, J. E. Sutherland, A. Castoreno, S. Milstein, M. K. Schlegel, I. Zlatev, K. Charisse, M. Keating, M. Manoharan, K. Fitzgerald, J. T. Wu, M. A. Maier, V. Jadhav, Nat. Biotechnol. 2022, 40, 1500.

[55] L. Chen, W. Hong, W. Ren, T. Xu, Z. Qian, Z. He, Signal. Transduct Target Ther. 2021, 6, 225.

[56] S. E, Z. P, L. Sk, D. Chowdhury, S. Kussman, D. M. Dykxhoorn, Y. Feng, D. Palliser, D. B. Weiner, P. Shankar, W. A. Marasco, J. Lieberman, Nat. Biotechnol. 2005, 23, 709.

[57] N. Bäumer, A. Scheller, L. Wittmann, A. Faust, M. Apel, S. C. Nimmagadda, C. Geyer, K. Grunert, N. Kellmann, M. Peipp, S. Kailayangiri, M. E. Gutierrez Suburu, C. A. Strassert, M. Schenk, L. Greune, C. Rüter, P. Dersch, W. Hartmann, C. Rossig, D. Neri, C. Müller-Tidow, C. Schwöppe, C. Schliemann, C. Khandanpour, G. Lenz, W. E. Berdel, S. Bäumer, J. Hematol. Oncol J. Hematol. Oncol. 2022, 15, 171.

[58] L. Qian, X. Lin, X. Gao, R. U. Khan, J. Y. Liao, S. Du, J. Ge, S. Zeng, S. Q. Yao, Chem. Rev. 2023, 123, 7782.

[59] B. Hansen, S. Linde, K. Kølendorf, F. Jensen, Horm. Metab. Res. 1979, 11, 85.

[60] H. Zhang, Y. Mao, F. Zhang, C. Ye, H. Tong, Y. Su, J. Zhu, Mol. Cell. Biochem. 2014, 391, 77.

[61] N. Bäumer, N. Appel, L. Terheyden, F. Buchholz, C. Rossig, C. Müller-Tidow, W. E. Berdel, S. Bäumer, Nat. Protoc. 2016, 11, 22.

[62] Y. Okahata, M. Kawase, K. Niikura, F. Ohtake, H. Furusawa, Y. Ebara, Anal. Chem. 1998, 70, 1288.

[63] J. X. Zhang, J. Z. Fang, W. Duan, L. R. Wu, A. W. Zhang, N. Dalchau, B. Yordanov, R. Petersen, A. Phillips, D. Y. Zhang, Nat. Chem. 2018, 10, 91.

[64] C. F. Xia, R. J. Boado, W. M. Pardridge, Mol. Pharm. 2009, 6, 747.

[65] X. Sun, S. Setrerrahmane, C. Li, J. Hu, H. Xu, Sig Transduct Target Ther. 2024, 9, 316.

[66] B. Malecova, R. S. Burke, M. Cochran, M. D. Hood, R. Johns, P. R. Kovach, V. R. Doppalapudi, G. Erdogan, J. D. Arias, B. Darimont, C. D. Miller, H. Huang, A. Geall, H. Younis, A. A. Levin, Nucleic Acids Res. 2023, 51, 5901.

[67] C. C. Scott, F. Vacca, J. Gruenberg, Semin. Cell Dev. Biol. 2014, 31, 2.

[68] Matthew R. Hassler, A. A. Turanov, J. F. Alterman, R. A. Haraszti, A. H. Coles, M. F. Osborn, D. Echeverria, M. Nikan, W. E. Salomon, L. Roux, B. M. D. C. Godinho, S. M. Davis, D. V. Morrissey, P. D. Zamore, S. A. Karumanchi, M. J. Moore, N. Aronin, A. Khvorova, Nucleic Acids Res. 2018, 46, 2185.

[69] S. F. Dowdy, R. L. Setten, X. S. Cui, S. G. Jadhav, Nucleic Acid Therapeut. 2022, 32, 361.

[70] Johnathan C. Maza, D. M. García-Almedina, L. E. Boike, N. X. Hamlish, D. K. Nomura, M. B. Francis, ACS Cent. Sci. 2022, 8, 955.

[71] Z. Chen, Q. Hu, Z. Gu, Acc. Chem. Res. 2018, 51, 668.

[72] M. Ayer, M. Schuster, I. Gruber, C. Blatti, E. Kaba, G. Enzmann, O. Burri, R. Guiet, A. Seitz, B. Engelhardt, H. Klok, Adv. Healthcare Mater. 2021, 10, 2001375.

[73] Y. Wang, J. Shi, M. Xin, A. R. Kahkoska, J. Wang, Z. Gu, Nat. Biomed. Eng. 2024, 8, 1347.

[74] P. Zhang, Y. Li, Nat. Biomed. Eng. 2021, 5, 385.

[75] Y. Wang, W. Li, Z. Li, F. Mo, Y. Chen, M. Iida, D. L. Wheeler, Q. Hu, Sci. Adv. 2023, 9, 5747.

[76] B. D. Ulery, L. S. Nair, C. T. Laurencin, J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 2011, 49, 832.

[77] A. S. Hoffman, P. S. Stayton, Prog. Polym. Sci. 2007, 32, 922.

[78] R. B. Fong, Z. Ding, A. S. Hoffman, P. S. Stayton, Biotechnol. Bioeng. 2002, 79, 271.

[79] C. Fruijtier-Pölloth, Toxicology 2005, 214, 1.

[80] T. Yamaoka, Y. Tabata, Y. Ikada, J. Pharm. Sci. 1994, 83, 601.

[81] E. H. S. Choy, B. Hazleman, M. Smith, K. Moss, L. Lisi, D. G. I. Scott, J. Patel, M. Sopwith, D. A. Isenberg, Rheumatol. 2002, 41, 1133.

[82] M. M. Harmsen, C. B. van Solt, H. P. D. Fijten, L. van Keulen, R. Rosalia, K. Weerdmeester, A. Cornelissen, M. De Bruin, P. Eblé, A. Dekker, Vet. Microbiol. 2007, 120, 193.

[83] I. L. Koumenis, Z. Shahrokh, S. Leong, V. Hsei, L. Deforge, G. Zapata, Int. J. Pharm. 2000, 198, 83.

[84] I. Wilkinson, C. J. Jackson, G. M. Lang, V. Holford-Strevens, A. H. Sehon, Immunol. Lett. 1987, 15, 17.

[85] J. Kim, M. Lee, H. J. Shim, R. Ghaffari, H. R. Cho, D. Son, Y. H. Jung, M. Soh, C. Choi, S. Jung, K. Chu, Nat. Commun. 2014, 5, 5747.

[86] V. V. Kaushik, R. J. Moots, Expert Opin. Biol. Ther. 2005, 5, 601.

[87] A. Rivkin, Clin. Ther. 2009, 31, 1158.

[88] S. Schreiber, P. Rutgeerts, R. N. Fedorak, M. Khaliq-Kareemi, M. A. Kamm, M. Boivin, C. N. Bernstein, M. Staun, O. Ø. Thomsen, A. Innes, Gastroenterology 2005, 129, 807.

[89] L. S. Smith, M. Nelson, C. R. Dolder, Ann. Pharmacother. 2010, 44, 333.

[90] T. Barnes, R. Moots, Int. J. Nanomedicine 2007, 2, 3.

[91] N. Goel, S. Stephens, mAbs 2010, 2, 137.

[92] T. A. Winter, J. Wright, S. Ghosh, J. Jahnsen, A. Innes, P. Round, Aliment. Pharmacol. Ther. 2004, 20, 1337.

[93] L. Klouda, A. G. Mikos, Eur. J. Pharm. Biopharm. 2008, 68, 34.

[94] Lifeng Yan, Qingshi Zhu, Paresh U. Kenkare, J. Appl. Polym. Sci. 2000, 78, 1971.

[95] Y. Qiu, K. Park, Adv. Drug Deliv. Rev. 2001, 53, 321.

[96] P. S. Stayton, M. E. H. El-Sayed, N. Murthy, V. Bulmus, C. Lackey, C. Cheung, A. S. Hoffman, Orthod. Craniofac. Res. 2005, 8, 219.

[97] Harper Meng, Jinlian Hu, J. Intell. Mater. Syst. Struct. 2010, 21, 859.

[98] G. Filipcsei, J. Fehér, M. Zrı́nyi, J. Mol. Struct. 2000, 554, 109

[99] Miklós Zrínyi, Colloid Polym. Sci. 2000, 278, 98.

[100] N. Diamantis, U. Banerji, Br. J. Cancer 2016, 114, 362.

RIGHTS & PERMISSIONS

2025 The Author(s). Interdisciplinary Medicine published by Wiley-VCH GmbH on behalf of Nanfang Hospital, Southern Medical University.