Przekształcenie "tarczy" guza w broń przeciwko samemu guzowi

Według Petera Insio Wanga komórki nowotworowe są „sprytne”. Mają złowrogie sposoby na unikanie ludzkich odpowiedzi immunologicznych, które walczą z tymi rakowymi najeźdźcami. Komórki nowotworowe ekspresują cząsteczki programowanej śmierci-ligand 1 (PD-L1), które działają jak tarcza ochronna, która tłumi nasze komórki odpornościowe, tworząc przeszkodę dla ukierunkowanych immunoterapii nowotworowych.

Wang, profesor na Wydziale Inżynierii Biomedycznej Alfreda E. Manna i kierownik Katedry Inżynierii Biomedycznej Dwighta C. i Hildagard E. Baum, kieruje laboratorium poświęconym pionierskim badaniom nad inżynierią immunoterapeutyczną, która wykorzystuje ludzki układ odpornościowy do tworzenia arsenału przyszłych metod walki z rakiem.

Naukowcy z laboratorium Wanga opracowali nowe podejście, które wykorzystuje podstępne mechanizmy obronne komórek nowotworowych przeciwko nim samym, zmieniając te cząsteczki „tarczowe” w cele dla chimerycznych komórek receptora antygenowego (CAR) T, zaprojektowanych przez Wanga w laboratorium, zaprogramowanych do atakowania komórek nowotworowych.

Praca, którą przeprowadził Lingshan Zhu, pracownik naukowy laboratorium Wanga, przy współudziale Wanga, naukowca Longwei Liu i współautorów, została opublikowana w czasopiśmie ACS Nano.

Terapia komórkami CAR T to rewolucyjne leczenie raka, w którym komórki T, rodzaj białych krwinek, są pobierane od pacjenta i otrzymują unikalny chimeryczny receptor antygenowy (CAR). CAR wiąże się z antygenami związanymi z komórkami nowotworowymi, kierując komórki T do zabijania komórek nowotworowych.

Najnowszym dziełem laboratorium Wanga jest zaprojektowane monociało dla komórek CAR T, które zespół nazwał PDbody. Wiąże się ono z białkiem PD-L1 na komórce nowotworowej, umożliwiając CAR rozpoznanie komórki nowotworowej i zablokowanie jej mechanizmów obronnych.

„Pomyśl o CAR jak o prawdziwym samochodzie. Masz silnik i gaz. Ale masz też hamulec. Zasadniczo silnik i gaz popychają CAR T do przodu i zabijają guz. Ale PD-L1 działa jak hamulec, który go zatrzymuje” – powiedział Wang.

W tej pracy Zhu, Liu, Wang i zespół zmodyfikowali genetycznie komórki T tak, aby zablokować ten hamujący mechanizm „hamulcowy” i uczynić cząsteczkę PD-L1 celem zniszczenia.

„Ta chimeryczna cząsteczka PDbody-CAR może sprawić, że nasze komórki CAR T zaatakują, rozpoznają i zabiją guz. Jednocześnie zablokuje i uniemożliwi komórkom nowotworowym zatrzymanie ataku komórek CAR T. W ten sposób nasze komórki CAR T będą silniejsze” – powiedział Wang.

Terapia komórkami CAR T jest najskuteczniejsza w przypadku „mokrych” nowotworów, takich jak białaczka. Wyzwaniem dla naukowców było opracowanie zaawansowanych komórek CAR T, które mogą odróżniać komórki nowotworowe od zdrowych.

Laboratorium Wanga bada sposoby wykorzystania tej technologii w leczeniu nowotworów, aby aktywować komórki CAR T w miejscu nowotworu, nie wpływając na zdrową tkankę.

W tej pracy zespół skupił się na wysoce inwazyjnej postaci raka piersi, która ekspresuje białko PD-L1. Jednak PD-L1 jest również ekspresowane przez inne typy komórek. Dlatego naukowcy przyjrzeli się unikalnemu mikrośrodowisku guza – komórkom i macierzom bezpośrednio otaczającym guz – aby upewnić się, że ich zaprojektowane ciało PD będzie wiązać się bardziej specyficznie z komórkami nowotworowymi.

„Wiemy, że pH w mikrośrodowisku guza jest stosunkowo niskie – jest trochę kwaśne” – powiedział Zhu. „Dlatego chcieliśmy, aby nasze PDbody miało lepszą zdolność wiązania w kwaśnym mikrośrodowisku, co pomogłoby naszemu PDbody odróżnić komórki guza od innych otaczających komórek”.

Aby zwiększyć precyzję leczenia, zespół zastosował genetyczny system „bramkowy” o nazwie SynNotch. Gwarantuje on, że limfocyty CAR T z PDbody atakują wyłącznie komórki nowotworowe produkujące inne białko, znane jako CD19, co zmniejsza ryzyko uszkodzenia zdrowych komórek.

„Mówiąc wprost, komórki T będą aktywowane tylko w miejscu guza dzięki systemowi bramek SynNotch” — powiedział Zhu. „Nie tylko pH jest bardziej kwaśne, ale powierzchnia komórki guza określi, czy komórka T zostanie aktywowana, dając nam dwa poziomy kontroli”.

Zhu zauważył, że zespół wykorzystał model myszy, a wyniki pokazały, że system bramkowania SynNotch nakazuje limfocytom CAR T z PDbody aktywację tylko w miejscu guza, niszcząc komórki guza i pozostając bezpiecznym dla innych części zwierzęcia.

Proces tworzenia PDbody inspirowany ewolucją

Zespół wykorzystał metody obliczeniowe i zainspirował się procesem ewolucji, aby stworzyć swoje wyspecjalizowane PDbodies. Kierowana ewolucja to proces stosowany w inżynierii biomedycznej w celu naśladowania procesu selekcji naturalnej w warunkach laboratoryjnych.

Naukowcy stworzyli platformę ewolucji kierowanej z gigantyczną biblioteką iteracji zaprojektowanego przez siebie białka, aby odkryć, która wersja może być najskuteczniejsza.

„Musieliśmy stworzyć coś, co rozpoznawałoby PD-L1 na powierzchni guza” – powiedział Wang.

„Korzystając z ukierunkowanej ewolucji, wybraliśmy dużą liczbę różnych mutacji monociał, aby wybrać tę, która będzie wiązać się z PD-L1. Wybrana wersja ma te cechy, które nie tylko rozpoznają PD-L1 guza, ale także blokują mechanizm hamowania, który posiada, a następnie kierują komórki CAR T na powierzchnię guza, aby zaatakować i zabić komórki guza”.

„Wyobraź sobie, że chcesz znaleźć bardzo konkretną rybę w oceanie – to byłoby naprawdę trudne” – powiedział Liu. „Ale teraz dzięki platformie ewolucji kierowanej, którą opracowaliśmy, mamy sposób na wyłowienie tych konkretnych białek o odpowiedniej funkcji”.

Zespół badawczy bada obecnie, w jaki sposób zoptymalizować białka, aby stworzyć jeszcze bardziej precyzyjne i skuteczne komórki CAR T przed przejściem do zastosowań klinicznych. Obejmuje to również integrację białek z przełomowymi aplikacjami skoncentrowanych ultradźwięków w laboratorium Wanga, aby zdalnie kontrolować komórki CAR T, tak aby były aktywowane tylko w miejscach guza.

„Mamy teraz wszystkie te narzędzia genetyczne, aby manipulować, kontrolować i programować te komórki odpornościowe, aby miały tak dużo mocy i funkcji” — powiedział Wang. „Mamy nadzieję stworzyć nowe sposoby kierowania ich funkcją w przypadku szczególnie trudnych metod leczenia nowotworów litych”.