Chemistry and biology of tumor-associated ganglioside GD2

Effective therapies typically target diseased tissues without significantly affecting healthy tissues. A tumor-related glycosphingolipid (GSL), such as ganglioside GD2, distinguishes neuroectoderm tumors from their healthy counterparts and is a validated tumor target. GD2 is clinically targeted for diagnosis and immunotherapy. GD2 plays an important functional role in tumor progression and in chemoresistance. It also plays an important functional role in pain; however, the mechanisms that make GD2 important in such phenomena remain unknown.Thus, understanding the structure-activity relationship of GD2, a GSL with two sialic acids, would be helpful. However, such studies on glycolipids are challenging. We employed a chemical biology approach to elucidate the structure and function of GD2 and to further direct the rational design of GD2 ligands and vaccines for GD2-related cancer treatment.The combined use of STD NMR spectroscopy, transferred NOE experiments, and molecular modeling furnished details on the molecular recognition of the ganglioside GD2 by the clinically used anti-GD2 monoclonal antibody 3F8 that can induce apoptosis of GD2 expressing tumours. A binding model that provided the basis for a rational development of GD2 ligands and vaccines was then established. Based on the structural information of GD2-3F8 interactions, small molecule monomeric peptide ligands binding to GD2 were developed. ELISA and NMR experiments demonstrated that peptides selectively bound to GD2 via an induced-fit mechanism. Furthermore, peptidic GD2 ligands, including 3F8, mediated similar biological functions in cell-based assays of activation of NMDA receptor via Src family kinase, calcium fluxe and cAMP. These can explain at least some of the mechanisms associated with tumor progression and pain, where GD2 plays a role. However, current GD2 peptide ligands did not demonstrate any treatment effect in vivo. Hence, we turned to the design of GD2 vaccines as a therapeutic approach. The rigid nature of GD2-oligosaccharides, discovered in our structural study, makes it perfectly suited to drive a structurally convergent immune response. A novel and homogenous tetra-GD2 dendrimer was designed to mimic a clustered GD2 lipid raft. Immunization of mice with tetra-GD2 dendrimer elicited a potent anti-GD2 humoral response. The antibodies (sera or mAbs) thus generated can kill GD2-expressing cells in culture, in the absence of a complement. Tumor growth was significantly delayed in vivo in prophylactic and in therapeutic paradigms. Our research strategy may be expanded to other clinically relevant glycolipids.Typiquement, les thérapies efficaces agissent sur les tissus malades sans toutefois nuire considérablement aux tissus en santé. Un glycosphingolipide (GSL) associé à une tumeur, tel que le ganglioside GD2, peut reconnaître selectivement les tumeurs neuroectodermes malignes et est ainsi validé comme une cible tumorale. Sur le plan clinique, on utilise le GD2 à des fins de diagnostic et d'immunothérapie. D'une part, le GD2 joue un rôle fonctionnel important dans la progression tumorale et la chimiorésistance. D'autre part, le GD2 joue un rôle fonctionnel important dans la douleur, mais les mécanismes qui expliqueraient l'importance du GD2 lors de tels phénomènes demeurent encore inconnus. C'est pourquoi il serait utile de mieux comprendre la relation structure-activité du GD2, un GSL constitué de 2 acides sialiques. Toutefois, entreprendre de telles études sur les glycolipides représente un défi de taille. Nous avons alors utilisé une approche basée sur la biologie chimique pour élucider la structure et la fonction des GD2 et pour mieux concevoir rationnellement des ligands GD2 et des vaccins pour le traitement contre le cancer lié au GD2. En combinant l'utilisation de la spectroscopie RMN DTS, des expériences NOE transférées et des modèles moléculaires, il est possible d'obtenir plus de détails sur la reconnaissance moléculaire du ganglioside GD2 au moyen du 3F8, un anticorps monoclonal anti-GD2 utilisé médicalement et qui peut induire l'apoptose de cellues cancereuses exprimant GD2. Comme point de départ pour le développement rationnel des ligands GD2 et des vaccins, nous avons établi un modèle contraignant. En nous appuyant sur l'information structurelle des interactions GD2-3F8, nous avons développé des petits ligands monomériques peptidiques liés au GD2. Des expériences RMN et ELISA ont démontré que les peptides se lient sélectivement au GD2 via un mécanisme d'ajustement induit. Par ailleurs, les ligands peptidiques GD2, dont le 3F8, deviennent médiateurs de fonctions biologiques similaires dans les essais cellulaires de l'activation des récepteurs NMDA via les kinases de la famille Src, les flux de calcium et cAMP. Ces derniers peuvent au moins expliquer certains des mécanismes associés avec la progression tumorale et la douleur, dans lesquels le GD2 jour un rôle prépondérant. Cependant, les ligands peptidiques GD2 actuels n'ont pas démontré les effets désirés au cours des traitements in vivo. C'est pourquoi nous nous sommes tournés vers le développement de nouveaux vaccins GD2 comme une approche thérapeutique. La nature rigide des oligosaccharides GD2, que nous avons découverte par le biais de notre étude structurale, devient une caractéristique parfaitement adaptée pour favoriser une réponse immunitaire structurellement convergente. Un nouveau dendrimère tetra-GD2 homogène a été conçu de manière à reproduire un radeau lipidique GD2 regroupé. L'immunisation des souris par le dendrimère tetra-GD2 a engendré une puissante réponse humorale anti-GD2. En l'absence d'un complément, les anticorps (sera ou mAbs) ainsi générés peuvent tuer les cellules exprimant le GD2 en culture. La croissance tumorale a été considérablement retardée in vivo dans les paradigmes thérapeutiques et prophylactiques. Notre stratégie de recherche pourrait ainsi être élargie pour inclure d'autres glycolipides pertinents sur le plan clinique