ABSTRACT Anti-CTLA-4 antibodies such as ipilimumab were among the first immune-oncology agents to show significantly improved outcomes for patients. However, existing anti-CTLA-4 therapies fail to induce a response in a majority of patients and can induce severe, immune-related adverse events. It has been assumed that checkpoint inhibition, i.e., blocking the interaction between CTLA-4 and its ligands, is the primary mechanism of action for ipilimumab. In this study we present evidence that checkpoint inhibition is not a primary mechanism of action for efficacy of anti-CTLA-4 antibodies. Instead, the primary mechanism for efficacy is FcR-mediated Treg depletion in the tumor microenvironment. First, we identified a monoclonal antibody (mAb) that binds to CTLA-4 at an epitope that differs from ipilimumab’s by only a few amino acids, yet has limited checkpoint inhibitor activity. Surprisingly, the weak checkpoint inhibitor has superior anti-tumor activity compared to ipilimumab in a murine model. The weak checkpoint inhibitor also induces less Treg proliferation and has increased ability to induce in vitro FcR signaling and in vivo depletion of intratumoral Tregs. Further experiments showed that the enhanced FcR activity of the weak checkpoint inhibitor likely contributes to its enhanced anti-tumor activity. Importantly, we also showed that weak checkpoint inhibition was associated with lower toxicity in murine models. Our work suggests that new anti-CTLA-4 drugs should be optimized for Treg depletion rather than checkpoint inhibition.

ABSTRACT Plasma-derived polyclonal antibodies are polyvalent drugs used for many important clinical indications that require modulation of multiple drug targets simultaneously, including emerging infectious disease and transplantation. However, plasma-derived drugs suffer many problems, including low potency, impurities, constraints on supply, and batch-to-batch variation. In this study, we demonstrated proofs-of-concept for a technology that uses microfluidics and molecular genomics to capture diverse mammalian antibody repertoires as multivalent recombinant drugs. These “recombinant hyperimmune” drugs comprised thousands to tens of thousands of antibodies and were derived from convalescent human donors, or vaccinated human donors or immunized mice. Here we used our technology to build a highly potent recombinant hyperimmune for Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus-2 (SARS CoV-2) in less than three months. We also validated a recombinant hyperimmune for Zika virus disease that abrogates antibody-dependent enhancement (ADE) through Fc engineering. For patients with primary immune deficiency (PID), we built high potency polyvalent recombinant hyperimmunes against pathogens that commonly cause serious lung infections. Finally, to address the limitations of rabbit-derived anti-thymocyte globulin (ATG), we generated a recombinant human version and demonstrated in vivo function against graft-versus-host disease (GVHD). Recombinant hyperimmunes are a novel class of drugs that could be used to target a wide variety of other clinical applications, including cancer and autoimmunity.

In this work, we developed PolyMap (polyclonal mapping), a high-throughput method for mapping protein-protein interactions. We demonstrated the mapping of thousands of antigen-antibody interactions between diverse antibody libraries isolated from convalescent and vaccinated COVID-19 donors and a set of clinically relevant SARS-CoV-2 spike variants. We identified over 150 antibodies with a variety of distinctive binding patterns toward the antigen variants and found a broader binding profile, including targeting of the Omicron variant, in the antibody repertoires of more recent donors. We then used these data to select mixtures of a small number of clones with complementary reactivity that together provide strong potency and broad neutralization. PolyMap is a generalizable platform that can be used for one-pot epitope mapping, immune repertoire profiling, and therapeutic design and, in the future, could be expanded to other families of interacting proteins.