Pretvaranje "štita" tumora u oružje protiv samog tumora

Prema Peteru Insio Wangu, tumorske stanice su „lukave“. Imaju zlokobne načine izbjegavanja ljudskog imunološkog odgovora koji se bori protiv ovih kancerogenih osvajača. Tumorske stanice eksprimiraju molekule programiranog liganda smrti 1 (PD-L1), koje djeluju kao zaštitni štit koji potiskuje naše imunološke stanice, stvarajući prepreku ciljanim imunoterapijama raka.

Wang, nositelj katedre Alfred E. Mann za biomedicinsko inženjerstvo i nositelj katedre Dwight C. i Hildagard E. Baum za biomedicinsko inženjerstvo, vodi laboratorij posvećen pionirskim istraživanjima inženjerskih imunoterapija koje iskorištavaju ljudski imunološki sustav kako bi stvorile budući arsenal u borbi protiv raka.

Istraživači u Wangovom laboratoriju razvili su novi pristup koji okreće podmukle obrambene mehanizme tumorske stanice protiv same sebe, pretvarajući te molekule "štita" u mete za Wangove laboratorijski konstruirane himerne antigenske receptore (CAR) T stanice programirane za napad na rak.

Rad, koji je provela Wangova postdoktorandica Lingshan Zhu, zajedno s Wangom, istraživačem Longwei Liuom i njihovim koautorima, objavljen je u časopisu ACS Nano.

Terapija CAR T-stanicama je revolucionarni tretman raka u kojem se T-stanice, vrsta bijelih krvnih stanica, uklanjaju iz pacijenta i daju im se jedinstveni himerni antigenski receptor (CAR). CAR se veže na antigene povezane sa stanicama raka, usmjeravajući T-stanice da ubijaju stanice raka.

Najnoviji rad iz Wangovog laboratorija je dizajnirano monobody za CAR T stanice, koje tim naziva PDbody, a koje se veže na PD-L1 protein na stanici raka, omogućujući CAR-u da prepozna tumorsku stanicu i blokira njezinu obranu.

„Zamislite CAR kao pravi automobil. Imate motor i plin. Ali imate i kočnicu. U biti, motor i plin guraju CAR T da se kreće naprijed i ubija tumor. Ali PD-L1 djeluje kao kočnica koja ga zaustavlja“, rekao je Wang.

U ovom radu, Zhu, Liu, Wang i tim su konstruirali T stanice kako bi blokirali ovaj inhibitorni mehanizam "kočnice" i učinili molekulu PD-L1 metom za uništenje.

„Ova himerna molekula PDbody-CAR može natjerati naše CAR T stanice da napadnu, prepoznaju i ubiju tumor. Istovremeno će blokirati i spriječiti tumorsku stanicu da zaustavi napad CAR T stanica. Na taj će način naše CAR T stanice biti snažnije“, rekao je Wang.

Terapija CAR T-stanicama najučinkovitija je protiv "vlažnih" karcinoma poput leukemije. Izazov za istraživače bio je razviti napredne CAR T-stanice koje mogu razlikovati stanice raka od zdravih stanica.

Wangov laboratorij istražuje načine usmjeravanja tehnologije na tumore tako da se CAR T stanice aktiviraju na mjestu tumora bez utjecaja na zdravo tkivo.

U ovom radu, tim se usredotočio na visoko invazivni oblik raka dojke koji eksprimira protein PD-L1. Međutim, PD-L1 eksprimiraju i druge vrste stanica. Stoga su istraživači proučavali jedinstveno mikrookruženje tumora - stanice i matrice koje neposredno okružuju tumor - kako bi osigurali da će se njihovo dizajnirano PD tijelo specifičnije vezati za stanice raka.

„Znamo da je pH u mikrookruženju tumora relativno nizak - malo je kiseo“, rekao je Zhu. „Stoga smo htjeli da naše PD tijelo ima bolju sposobnost vezanja u kiselom mikrookruženju, što bi pomoglo našem PD tijelu da razlikuje tumorske stanice od drugih okolnih stanica.“

Kako bi poboljšali preciznost liječenja, tim je koristio genetski sustav "vrata" nazvan SynNotch, koji osigurava da CAR T stanice s PDbody napadaju samo stanice raka koje eksprimiraju drugačiji protein poznat kao CD19, smanjujući rizik od oštećenja zdravih stanica.

„Jednostavno rečeno, T-stanice će se aktivirati samo na mjestu tumora zahvaljujući ovom SynNotch sustavu vrata“, rekao je Zhu. „Ne samo da je pH kiseliji, već će površina tumorske stanice odrediti hoće li se T-stanica aktivirati, što nam daje dvije razine kontrole.“

Zhu je napomenuo da je tim koristio mišji model, a rezultati su pokazali da SynNotch sustav otvaranja usmjerava CAR T stanice s PDbodyjem da se aktiviraju samo na mjestu tumora, ubijajući tumorske stanice dok ostaju sigurne za ostale dijelove životinje.

Evolucijom inspiriran proces stvaranja PDbodyja

Tim je koristio računalne metode i inspiraciju crpio iz procesa evolucije kako bi stvorio svoja specijalizirana PD tijela. Usmjerena evolucija je proces koji se koristi u biomedicinskom inženjerstvu za oponašanje procesa prirodne selekcije u laboratorijskim uvjetima.

Istraživači su stvorili platformu usmjerene evolucije s ogromnom bibliotekom iteracija svog dizajniranog proteina kako bi otkrili koja bi verzija mogla biti najučinkovitija.

„Trebali smo stvoriti nešto što bi prepoznalo PD-L1 na površini tumora“, rekao je Wang.

„Koristeći usmjerenu evoluciju, odabrali smo veliki broj različitih mutacija monobodyja kako bismo odabrali onu koja će se vezati za PD-L1. Odabrana verzija ima ove značajke koje ne samo da mogu prepoznati tumorski PD-L1, već i blokirati mehanizam kočenja koji on ima, a zatim usmjeriti CAR T stanicu na površinu tumora kako bi napala i ubila tumorske stanice.“

„Zamislite da želite pronaći vrlo specifičnu ribu u oceanu – to bi bilo stvarno teško“, rekao je Liu. „Ali sada s platformom usmjerene evolucije koju smo razvili, imamo način da izvučemo te specifične proteine s pravom funkcijom.“

Istraživački tim sada istražuje kako optimizirati proteine kako bi stvorio još preciznije i učinkovitije CAR T stanice prije nego što prijeđe na kliničku primjenu. To također uključuje integraciju proteina s Wangovim revolucionarnim ultrazvučnim aplikacijama usmjerenim na daljinsko upravljanje CAR T stanicama tako da se aktiviraju samo na mjestima tumora.

„Sada imamo sve te genetske alate za manipuliranje, kontrolu i programiranje ovih imunoloških stanica kako bi imale toliko moći i funkcije“, rekao je Wang. „Nadamo se da ćemo stvoriti nove načine usmjeravanja njihove funkcije za posebno izazovne tretmane solidnih tumora.“