Μετατροπή της "ασπίδας" ενός όγκου σε όπλο κατά του ίδιου του όγκου

Σύμφωνα με τον Peter Insio Wang, τα καρκινικά κύτταρα είναι «πονηρά». Έχουν σκοτεινούς τρόπους να αποφεύγουν τις ανθρώπινες ανοσολογικές αποκρίσεις που καταπολεμούν αυτούς τους καρκινικούς εισβολείς. Τα καρκινικά κύτταρα εκφράζουν προγραμματισμένα μόρια PD-L1 (programmed death-ligand 1), τα οποία λειτουργούν ως προστατευτική ασπίδα που καταστέλλει τα ανοσοκύτταρά μας, δημιουργώντας ένα εμπόδιο στις στοχευμένες ανοσοθεραπείες του καρκίνου.

Ο Wang, κάτοχος της Έδρας Alfred E. Mann στη Βιοϊατρική Μηχανική και κάτοχος της Έδρας Dwight C. και Hildagard E. Baum στη Βιοϊατρική Μηχανική, ηγείται ενός εργαστηρίου αφιερωμένου στην πρωτοποριακή έρευνα για τις μηχανικές ανοσοθεραπείες που αξιοποιούν το ανθρώπινο ανοσοποιητικό σύστημα για να δημιουργήσουν ένα μελλοντικό οπλοστάσιο στην καταπολέμηση του καρκίνου.

Οι ερευνητές στο εργαστήριο του Wang έχουν αναπτύξει μια νέα προσέγγιση που μετατρέπει τους ύπουλους αμυντικούς μηχανισμούς ενός καρκινικού κυττάρου εναντίον του εαυτού του, μετατρέποντας αυτά τα μόρια «ασπίδας» σε στόχους για τα Τ κύτταρα χιμαιρικού αντιγονικού υποδοχέα (CAR) του Wang, τα οποία έχουν σχεδιαστεί στο εργαστήριο και είναι προγραμματισμένα να επιτίθενται στον καρκίνο.

Η εργασία, που διεξήχθη από τον μεταδιδακτορικό συνεργάτη του Wang, Lingshan Zhu, μαζί με τον Wang, τον ερευνητή Longwei Liu και τους συναδέλφους τους, δημοσιεύθηκε στο περιοδικό ACS Nano.

Η θεραπεία με Τ-λεμφοκύτταρα CAR είναι μια επαναστατική θεραπεία του καρκίνου στην οποία τα Τ κύτταρα, ένας τύπος λευκών αιμοσφαιρίων, αφαιρούνται από έναν ασθενή και τους χορηγείται ένας μοναδικός χιμαιρικός υποδοχέας αντιγόνου (CAR). Ο CAR συνδέεται με αντιγόνα που σχετίζονται με καρκινικά κύτταρα, κατευθύνοντας τα Τ κύτταρα να τα σκοτώσουν.

Η τελευταία εργασία από το εργαστήριο του Wang είναι ένα σχεδιασμένο μονοσωμάτιο για τα κύτταρα CAR-T, το οποίο η ομάδα ονομάζει PDbody, το οποίο συνδέεται με την πρωτεΐνη PD-L1 σε ένα καρκινικό κύτταρο, επιτρέποντας στο CAR να αναγνωρίσει το καρκινικό κύτταρο και να μπλοκάρει την άμυνά του.

«Σκεφτείτε το CAR ως ένα πραγματικό αυτοκίνητο. Έχετε κινητήρα και βενζίνη. Αλλά έχετε και φρένο. Ουσιαστικά, ο κινητήρας και το βενζίνη ωθούν το CAR T να κινηθεί προς τα εμπρός και να σκοτώσει τον όγκο. Αλλά το PD-L1 λειτουργεί ως φρένο που τον σταματά», είπε ο Wang.

Σε αυτή την εργασία, οι Zhu, Liu, Wang και η ομάδα τους δημιούργησαν Τ κύτταρα για να μπλοκάρουν αυτόν τον ανασταλτικό μηχανισμό «φρένου» και να καταστήσουν το μόριο PD-L1 στόχο για καταστροφή.

«Αυτό το χιμαιρικό μόριο PDbody-CAR μπορεί να κάνει τα CAR-Τ κύτταρα μας να επιτεθούν, να αναγνωρίσουν και να σκοτώσουν τον όγκο. Ταυτόχρονα, θα μπλοκάρει και θα αποτρέψει το καρκινικό κύτταρο από το να σταματήσει την επίθεση των CAR-Τ κυττάρων. Με αυτόν τον τρόπο, τα CAR-Τ κύτταρα μας θα είναι πιο ισχυρά», δήλωσε ο Wang.

Η θεραπεία με CAR-T-λεμφοκύτταρα είναι πιο αποτελεσματική έναντι των «υγρών» καρκίνων όπως η λευχαιμία. Η πρόκληση για τους ερευνητές ήταν η ανάπτυξη προηγμένων CAR-T κυττάρων που μπορούν να διαφοροποιήσουν μεταξύ καρκινικών και υγιών κυττάρων.

Το εργαστήριο του Wang διερευνά τρόπους για να στοχεύσει την τεχνολογία σε όγκους, έτσι ώστε τα CAR-T κύτταρα να ενεργοποιούνται στην περιοχή του όγκου χωρίς να επηρεάζεται ο υγιής ιστός.

Σε αυτή την εργασία, η ομάδα επικεντρώθηκε σε μια εξαιρετικά διεισδυτική μορφή καρκίνου του μαστού που εκφράζει την πρωτεΐνη PD-L1. Ωστόσο, η PD-L1 εκφράζεται και από άλλους τύπους κυττάρων. Έτσι, οι ερευνητές εξέτασαν το μοναδικό μικροπεριβάλλον του όγκου - τα κύτταρα και τις μήτρες που περιβάλλουν άμεσα τον όγκο - για να διασφαλίσουν ότι το σχεδιασμένο PDbody τους θα συνδεόταν πιο συγκεκριμένα με τα καρκινικά κύτταρα.

«Γνωρίζουμε ότι το pH στο μικροπεριβάλλον του όγκου είναι σχετικά χαμηλό - είναι λίγο όξινο», είπε ο Zhu. «Έτσι θέλαμε το PDbody μας να έχει καλύτερη ικανότητα σύνδεσης σε ένα όξινο μικροπεριβάλλον, κάτι που θα βοηθούσε το PDbody μας να διακρίνει τα καρκινικά κύτταρα από άλλα περιβάλλοντα κύτταρα».

Για να βελτιωθεί η ακρίβεια της θεραπείας, η ομάδα χρησιμοποίησε ένα γενετικό σύστημα «πύλης» που ονομάζεται SynNotch, το οποίο διασφαλίζει ότι τα CAR-Τ κύτταρα με PDbody επιτίθενται μόνο σε καρκινικά κύτταρα που εκφράζουν μια διαφορετική πρωτεΐνη γνωστή ως CD19, μειώνοντας τον κίνδυνο βλάβης των υγιών κυττάρων.

«Με απλά λόγια, τα Τ κύτταρα θα ενεργοποιηθούν μόνο στην περιοχή του όγκου χάρη σε αυτό το σύστημα πύλης SynNotch», είπε ο Zhu. «Όχι μόνο το pH είναι πιο όξινο, αλλά η επιφάνεια των καρκινικών κυττάρων θα καθορίσει εάν τα Τ κύτταρα θα ενεργοποιηθούν, δίνοντάς μας δύο επίπεδα ελέγχου».

Ο Zhu σημείωσε ότι η ομάδα χρησιμοποίησε ένα μοντέλο ποντικού και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το σύστημα πύλης SynNotch κατευθύνει τα CAR-Τ κύτταρα με PDbody να ενεργοποιούνται μόνο στην περιοχή του όγκου, σκοτώνοντας τα καρκινικά κύτταρα ενώ παραμένουν ασφαλή για άλλα μέρη του ζώου.

Μια διαδικασία εμπνευσμένη από την εξέλιξη για τη δημιουργία του PDbody

Η ομάδα χρησιμοποίησε υπολογιστικές μεθόδους και εμπνεύστηκε από τη διαδικασία της εξέλιξης για να δημιουργήσει τα εξειδικευμένα PDbodies. Η κατευθυνόμενη εξέλιξη είναι μια διαδικασία που χρησιμοποιείται στη βιοϊατρική μηχανική για να μιμηθεί τη διαδικασία της φυσικής επιλογής σε εργαστηριακό περιβάλλον.

Οι ερευνητές δημιούργησαν μια πλατφόρμα κατευθυνόμενης εξέλιξης με μια γιγαντιαία βιβλιοθήκη επαναλήψεων της πρωτεΐνης που σχεδίασαν, για να ανακαλύψουν ποια έκδοση θα μπορούσε να είναι η πιο αποτελεσματική.

«Χρειαζόταν να δημιουργήσουμε κάτι που θα αναγνώριζε το PD-L1 στην επιφάνεια του όγκου», είπε ο Wang.

«Χρησιμοποιώντας κατευθυνόμενη εξέλιξη, επιλέξαμε έναν μεγάλο αριθμό διαφορετικών μεταλλάξεων μονοσωμάτων για να επιλέξουμε ποια θα συνδεόταν με το PD-L1. Η επιλεγμένη εκδοχή έχει αυτά τα χαρακτηριστικά που όχι μόνο μπορούν να αναγνωρίσουν το PD-L1 του όγκου, αλλά και να μπλοκάρουν τον μηχανισμό πέδησης που έχει και στη συνέχεια να κατευθύνουν το κύτταρο CAR T στην επιφάνεια του όγκου για να επιτεθεί και να σκοτώσει τα καρκινικά κύτταρα».

«Φανταστείτε να θέλατε να βρείτε ένα πολύ συγκεκριμένο ψάρι στον ωκεανό - αυτό θα ήταν πραγματικά δύσκολο», είπε ο Λιού. «Αλλά τώρα με την πλατφόρμα κατευθυνόμενης εξέλιξης που έχουμε αναπτύξει, έχουμε έναν τρόπο να ψαρεύουμε αυτές τις συγκεκριμένες πρωτεΐνες με τη σωστή λειτουργία».

Η ερευνητική ομάδα διερευνά τώρα πώς να βελτιστοποιήσει τις πρωτεΐνες για να δημιουργήσει ακόμη πιο ακριβή και αποτελεσματικά κύτταρα CAR-T πριν προχωρήσει σε κλινικές εφαρμογές. Αυτό περιλαμβάνει επίσης την ενσωμάτωση των πρωτεϊνών με τις πρωτοποριακές εφαρμογές υπερήχων του εργαστηρίου του Wang για τον απομακρυσμένο έλεγχο των κυττάρων CAR-T, έτσι ώστε να ενεργοποιούνται μόνο σε θέσεις όγκων.

«Έχουμε πλέον όλα αυτά τα γενετικά εργαλεία για να χειριζόμαστε, να ελέγχουμε και να προγραμματίζουμε αυτά τα ανοσοκύτταρα ώστε να έχουν τόσο μεγάλη ισχύ και λειτουργία», δήλωσε ο Wang. «Ελπίζουμε να δημιουργήσουμε νέους τρόπους για να κατευθύνουμε τη λειτουργία τους για ιδιαίτερα απαιτητικές θεραπείες συμπαγών όγκων».