Spreminjanje "ščita" tumorja v orožje proti samemu tumorju

Po besedah Petra Insia Wanga so tumorske celice »zvite«. Imajo zlovešče načine, kako se izogniti človeškim imunskim odzivom, ki se borijo proti tem rakavim vsiljivcem. Tumorske celice izražajo molekule programiranega smrtnega liganda 1 (PD-L1), ki delujejo kot zaščitni ščit, ki zavira naše imunske celice in ustvarja oviro za ciljno usmerjene imunoterapije raka.

Wang, nosilec katedre Alfreda E. Manna za biomedicinski inženiring in nosilec katedre Dwighta C. in Hildagard E. Bauma za biomedicinski inženiring, vodi laboratorij, posvečen pionirskim raziskavam inženirskih imunoterapij, ki izkoriščajo človeški imunski sistem za ustvarjanje prihodnjega arzenala v boju proti raku.

Raziskovalci v Wangovem laboratoriju so razvili nov pristop, ki zahrbtne obrambne mehanizme tumorskih celic obrne proti sebi, tako da te "ščitne" molekule spremeni v tarče za Wangove laboratorijsko zasnovane himerne antigenske receptorje (CAR) T celice, programirane za napad na raka.

Delo, ki ga je skupaj z Wangom, raziskovalcem Longweijem Liujem in njunimi soavtorji izvedel Wangov laboratorijski podoktorski sodelavec Lingshan Zhu, je bilo objavljeno v reviji ACS Nano.

Terapija s CAR-celicami T je revolucionarno zdravljenje raka, pri katerem se bolniku odstranijo celice T, vrsta belih krvničk, in se jim vbrizga edinstven himerni antigenski receptor (CAR). CAR se veže na antigene, povezane z rakavimi celicami, in usmerja celice T, da uničijo rakave celice.

Najnovejše delo Wangovega laboratorija je zasnovano monotelo za celice CAR T, ki ga ekipa imenuje PDbody, in se veže na protein PD-L1 na rakavi celici, kar omogoča CAR, da prepozna tumorsko celico in blokira njeno obrambo.

"Predstavljajte si CAR kot pravi avto. Imate motor in plin. Imate pa tudi zavoro. V bistvu motor in plin potiskata CAR T, da se premakne naprej in uniči tumor. Toda PD-L1 deluje kot zavora, ki ga ustavi," je dejal Wang.

V tem delu so Zhu, Liu, Wang in ekipa zasnovali celice T, da bi blokirali ta zaviralni mehanizem "zaviranja" in molekulo PD-L1 naredili tarčo za uničenje.

"Ta himerna molekula PDbody-CAR lahko povzroči, da naše celice CAR T napadejo, prepoznajo in ubijejo tumor. Hkrati bo blokirala in preprečila tumorski celici, da bi ustavila napad celic CAR T. Na ta način bodo naše celice CAR T močnejše," je dejal Wang.

Terapija s celicami CAR T je najučinkovitejša proti "mokrim" vrstam raka, kot je levkemija. Izziv za raziskovalce je bil razviti napredne celice CAR T, ki lahko razlikujejo med rakavimi in zdravimi celicami.

Wangov laboratorij raziskuje načine za usmerjanje tehnologije v tumorje, tako da se celice CAR T aktivirajo na mestu tumorja, ne da bi pri tem vplivale na zdravo tkivo.

V tem delu se je ekipa osredotočila na zelo invazivno obliko raka dojke, ki izraža protein PD-L1. Vendar pa PD-L1 izražajo tudi druge vrste celic. Zato so raziskovalci preučili edinstveno tumorsko mikrookolje – celice in matrice, ki neposredno obdajajo tumor – da bi zagotovili, da se bo njihovo zasnovano PD-telo bolj specifično vezalo na rakave celice.

»Vemo, da je pH v tumorskem mikrookolju relativno nizek – je nekoliko kisel,« je dejal Zhu. »Zato smo želeli, da bi imelo naše PD telo boljšo sposobnost vezave v kislem mikrookolju, kar bi našemu PD telesu pomagalo razlikovati tumorske celice od drugih okoliških celic.«

Za izboljšanje natančnosti zdravljenja je ekipa uporabila genetski sistem "vrat", imenovan SynNotch, ki zagotavlja, da celice CAR T s PDbody napadajo le rakave celice, ki izražajo drugačen protein, znan kot CD19, kar zmanjšuje tveganje za poškodbe zdravih celic.

»Preprosto povedano, celice T se bodo aktivirale le na mestu tumorja zaradi tega sistema vrat SynNotch,« je dejal Zhu. »Ne le, da je pH bolj kisel, ampak bo površina tumorskih celic določila, ali se bodo celice T aktivirale, kar nam daje dve ravni nadzora.«

Zhu je opozoril, da je ekipa uporabila mišji model, rezultati pa so pokazali, da sistem za odpiranje SynNotch usmerja celice CAR T s PDbody, da se aktivirajo le na mestu tumorja, pri čemer ubijajo tumorske celice, hkrati pa ostanejo varne za druge dele živali.

Evolucijsko navdihnjen postopek za ustvarjanje PDbody

Ekipa je za ustvarjanje svojih specializiranih PD-teles uporabila računalniške metode in se navdihnila v procesu evolucije. Usmerjena evolucija je proces, ki se uporablja v biomedicinskem inženirstvu za posnemanje procesa naravne selekcije v laboratorijskem okolju.

Raziskovalci so ustvarili platformo za usmerjeno evolucijo z ogromno knjižnico iteracij svojega zasnovanega proteina, da bi odkrili, katera različica bi lahko bila najučinkovitejša.

"Morali smo ustvariti nekaj, kar bi prepoznalo PD-L1 na površini tumorja," je dejal Wang.

"Z uporabo usmerjene evolucije smo izbrali veliko število različnih mutacij monoteles, da bi izbrali, katera se bo vezala na PD-L1. Izbrana različica ima te lastnosti, ki ne le prepoznajo tumorski PD-L1, ampak tudi blokirajo zavorni mehanizem, ki ga ima, in nato usmerijo celico CAR T na površino tumorja, da napade in ubije tumorske celice."

»Predstavljajte si, da bi želeli v oceanu najti zelo specifično ribo – to bi bilo res težko,« je dejal Liu. »Zdaj pa imamo s platformo za usmerjeno evolucijo, ki smo jo razvili, način, kako izvleči te specifične beljakovine s pravo funkcijo.«

Raziskovalna skupina zdaj raziskuje, kako optimizirati beljakovine za ustvarjanje še natančnejših in učinkovitejših celic CAR T, preden se loti klinične uporabe. To vključuje tudi integracijo beljakovin z Wangovim laboratorijem, ki ga je prelomno osredotočal na ultrazvočne aplikacije, za daljinsko upravljanje celic CAR T, tako da se aktivirajo le na mestih tumorjev.

»Zdaj imamo vsa ta genetska orodja za manipulacijo, nadzor in programiranje teh imunskih celic, da bodo imele toliko moči in delovanja,« je dejal Wang. »Upamo, da bomo ustvarili nove načine za usmerjanje njihovega delovanja za še posebej zahtevna zdravljenja solidnih tumorjev.«