Å gjøre svulstens "skjold" til et våpen mot selve svulsten

Ifølge Peter Insio Wang er tumorceller «slu». De har ondsinnede måter å unngå de menneskelige immunresponsene som kjemper mot disse kreftfremkallende inntrengerne. Tumorceller uttrykker programmert dødsligand 1 (PD-L1)-molekyler, som fungerer som et beskyttende skjold som undertrykker immuncellene våre, og skaper en hindring for målrettede kreftimmunterapier.

Wang, Alfred E. Mann-professoratet i biomedisinsk ingeniørfag og innehaver av Dwight C. og Hildagard E. Baum-professoratet i biomedisinsk ingeniørfag, leder et laboratorium dedikert til banebrytende forskning på konstruerte immunterapier som utnytter det menneskelige immunforsvaret for å skape et fremtidig arsenal i kampen mot kreft.

Forskere i Wangs laboratorium har utviklet en ny tilnærming som vender en tumorcelles lumske forsvarsmekanismer mot seg selv, og gjør disse "skjold"-molekylene til mål for Wangs laboratoriekonstruerte kimære antigenreseptor (CAR) T-celler programmert til å angripe kreft.

Arbeidet, utført av Wangs postdoktor Lingshan Zhu, sammen med Wang, forsker Longwei Liu og deres medforfattere, ble publisert i tidsskriftet ACS Nano.

CAR T-celleterapi er en revolusjonerende kreftbehandling der T-celler, en type hvite blodlegemer, fjernes fra en pasient og gis en unik kimær antigenreseptor (CAR). CAR-en binder seg til antigener assosiert med kreftceller, og styrer T-cellene til å drepe kreftcellene.

Det nyeste arbeidet fra Wangs laboratorium er en designet monobody for CAR T-celler, som teamet kaller PDbody, som binder seg til PD-L1-proteinet på en kreftcelle, slik at CAR kan gjenkjenne tumorcellen og blokkere dens forsvar.

«Tenk på CAR som en ekte bil. Du har en motor og bensin. Men du har også en brems. I hovedsak presser motoren og bensinen CAR T til å bevege seg fremover og drepe svulsten. Men PD-L1 fungerer som en brems som stopper den,» sa Wang.

I dette arbeidet konstruerte Zhu, Liu, Wang og teamet T-celler for å blokkere denne hemmende "bremse"-mekanismen og gjøre PD-L1-molekylet til et mål for destruksjon.

«Dette kimære PDbody-CAR-molekylet kan få CAR T-cellene våre til å angripe, gjenkjenne og drepe svulsten. Samtidig vil det blokkere og forhindre at svulstcellen stopper CAR T-cellens angrep. På denne måten vil CAR T-cellene våre bli kraftigere», sa Wang.

CAR T-celleterapi er mest effektiv mot "våte" kreftformer som leukemi. Utfordringen for forskere har vært å utvikle avanserte CAR T-celler som kan skille mellom kreftceller og friske celler.

Wangs laboratorium utforsker måter å målrette teknologien mot svulster slik at CAR T-celler aktiveres på svulststedet uten å påvirke friskt vev.

I dette arbeidet fokuserte teamet på en svært invasiv form for brystkreft som uttrykker proteinet PD-L1. PD-L1 uttrykkes imidlertid også av andre celletyper. Forskerne så derfor på det unike svulstens mikromiljø – cellene og matrisene som omgir svulsten umiddelbart – for å sikre at deres designede PD-kropp ville binde seg mer spesifikt til kreftceller.

«Vi vet at pH-verdien i svulstens mikromiljø er relativt lav – den er litt sur», sa Zhu. «Så vi ønsket at PDbody-en vår skulle ha bedre bindingsevne i et surt mikromiljø, noe som ville hjelpe PDbody-en vår med å skille tumorceller fra andre omkringliggende celler.»

For å forbedre presisjonen i behandlingen brukte teamet et genetisk «gate»-system kalt SynNotch, som sikrer at CAR T-celler med PDbody kun angriper kreftceller som uttrykker et annet protein kjent som CD19, noe som reduserer risikoen for å skade friske celler.

«Enkelt sagt, T-celler vil bare bli aktivert på tumorstedet takket være dette SynNotch-portsystemet», sa Zhu. «Ikke bare er pH-verdien surere, men tumorcelleoverflaten vil avgjøre om T-cellen vil bli aktivert, noe som gir oss to kontrollnivåer.»

Zhu bemerket at teamet brukte en musemodell, og resultatene viste at SynNotch-portsystemet styrer CAR T-celler med PDbody til å aktiveres kun på tumorstedet, og dreper tumorceller samtidig som de forblir trygge for andre deler av dyret.

En evolusjonsinspirert prosess for å lage PDbody

Teamet brukte beregningsmetoder og hentet inspirasjon fra evolusjonsprosessen for å lage sine spesialiserte PD-legemer. Styrt evolusjon er en prosess som brukes i biomedisinsk ingeniørfag for å etterligne prosessen med naturlig seleksjon i et laboratoriemiljø.

Forskerne laget en plattform for rettet evolusjon med et gigantisk bibliotek av iterasjoner av det designede proteinet deres for å oppdage hvilken versjon som kan være mest effektiv.

«Vi trengte å lage noe som ville gjenkjenne PD-L1 på overflaten av svulsten», sa Wang.

"Ved hjelp av rettet evolusjon valgte vi ut et stort antall forskjellige monobody-mutasjoner for å velge hvilken som ville binde seg til PD-L1. Den valgte versjonen har disse egenskapene som ikke bare kan gjenkjenne tumor PD-L1, men også blokkere bremsemekanismen den har, og deretter dirigere CAR T-cellen til overflaten av tumoren for å angripe og drepe tumorcellene."

«Tenk deg om du ville finne en veldig spesifikk fisk i havet – det ville vært veldig vanskelig», sa Liu. «Men nå, med den plattformen for rettet evolusjon vi har utviklet, har vi en måte å fiske ut disse spesifikke proteinene med riktig funksjon.»

Forskningsteamet utforsker nå hvordan man kan optimalisere proteinene for å lage enda mer presise og effektive CAR T-celler før de går videre til kliniske anvendelser. Dette inkluderer også å integrere proteinene med Wangs laboratoriums banebrytende fokuserte ultralydapplikasjoner for å fjernstyre CAR T-celler slik at de bare aktiveres på svulststeder.

«Vi har nå alle disse genetiske verktøyene for å manipulere, kontrollere og programmere disse immuncellene til å ha så mye kraft og funksjon», sa Wang. «Vi håper å skape nye måter å styre funksjonen deres på for spesielt utfordrende behandlinger av solide svulster.»