Превращение «щита» опухоли в оружие против нее самой

По словам Питера Инссио Вана, опухолевые клетки "хитры". Они обладают зловещими способами избегания иммунных ответов человека, которые сражаются против этих раковых захватчиков. Опухолевые клетки выражают молекулы программированной смерти-лиганда 1 (PD-L1), которые работают как защитный щит, подавляющий наши иммунные клетки, создавая препятствие для целенаправленных противораковых иммунотерапий.

Ван, председатель кафедры биомедицинской инженерии Альфреда Э. Манна и держатель кафедры биомедицинской инженерии Дуайта К. и Хилдагард Э. Баум, возглавляет лабораторию, занимающуюся новаторскими исследованиями в области разработанных иммунотерапий, использующих иммунную систему человека для создания будущего арсенала в борьбе с раком.

Исследователи лаборатории Вана разработали новый подход, который превращает коварные защитные механизмы опухолевой клетки против неё самой, превращая эти "щитовые" молекулы в цель для разработанных лабораторией Вана химерных антигенных рецепторов (CAR) T-клеток, запрограммированных на атаку рака.

Работа, проведенная постдокторантом лаборатории Вана Линшаном Чжу вместе с Ваном, научным сотрудником Лунвэем Лю и их соавторами, была опубликована в журнале ACS Nano.

Терапия CAR T-клетками является революционным методом лечения рака, при котором T-клетки – тип белых кровяных клеток – удаляются из пациента и снабжаются уникальным химерным антигенным рецептором (CAR). CAR связывается с антигенами, связанными с раковыми клетками, направляя T-клетки на уничтожение раковых клеток.

Последняя работа лаборатории Вана представляет собой разработанный монободи для CAR T-клеток, который команда назвала PDbody, связывающийся с белком PD-L1 на раковой клетке, позволяя CAR распознавать опухолевую клетку и блокировать её защиту.

"Представьте, что CAR – это реальный автомобиль. У вас есть двигатель и бензин. Но у вас также есть тормоз. По сути, двигатель и бензин толкают CAR T на движение вперёд и уничтожение опухоли. Но PD-L1 работает как тормоз, который останавливает его," сказал Ван.

В этой работе Чжу, Лю, Ван и команда разработали T-клетки для блокирования этого ингибирующего "тормозного" механизма и превращения молекулы PD-L1 в мишень для уничтожения.

"Эта химерная молекула PDbody-CAR может привести наш CAR T к началу атаки, распознанию и уничтожению опухоли. Одновременно она будет блокировать и предотвращать остановку атаки CAR T со стороны опухолевой клетки. Таким образом, наши CAR T будут более мощными," сказал Ван.

Терапия CAR T-клетками наиболее эффективна при "жидких" раках, таких как лейкемия. Задачей для исследователей было разработать продвинутые CAR T-клетки, способные различать раковые и здоровые клетки.

Лаборатория Вана изучает способы целенаправленного применения технологии для опухолей, чтобы CAR T-клетки активировались на месте опухоли без воздействия на здоровые ткани.

В этой работе команда сосредоточилась на очень инвазивной форме рака молочной железы, который выражает белок PD-L1. Однако PD-L1 также выражается другими типами клеток. Поэтому исследователи рассмотрели уникальную микросреду опухоли – клетки и матриксы, непосредственно окружающие опухоль, чтобы убедиться, что их разработанный PDbody будет связываться более специфически с раковыми клетками.

"Мы знаем, что pH в микросреде опухоли относительно низкий – он немного кислотный," сказал Чжу. "Поэтому мы хотели, чтобы наш PDbody имел лучшую способность к связыванию в кислой микросреде, что поможет нашему PDbody отличать опухолевые клетки от других окружающих клеток."

Для повышения точности лечения команда использовала разработанную генетическую "воротную" систему SynNotch, которая гарантирует, что CAR T-клетки с PDbody атакуют только раковые клетки, экспрессирующие другой белок, известный как CD19, снижая риск повреждения здоровых клеток.

"Проще говоря, T-клетки будут активироваться только на месте опухоли благодаря этой системе ворот SynNotch," сказал Чжу. "Не только pH более кислотный, но и поверхность опухолевой клетки определит, будет ли активирована T-клетка, предоставляя нам два уровня контроля."

Чжу отметил, что команда использовала мышиную модель, и результаты показали, что система ворот SynNotch направляет CAR T-клетки с PDbody к активации только на месте опухоли, убивая опухолевые клетки и оставаясь безопасными для других частей животного.

Процесс, вдохновленный эволюцией, для создания PDbody

Команда использовала вычислительные методы и черпала вдохновение из процесса эволюции для создания своих специализированных PDbody. Направленная эволюция – это процесс, используемый в биомедицинской инженерии для имитации процесса естественного отбора в лабораторных условиях.

Исследователи создали платформу направленной эволюции с гигантской библиотекой итераций их разработанного белка, чтобы обнаружить, какая версия может быть наиболее эффективной.

"Нам нужно было создать что-то, что будет распознавать PD-L1 на поверхности опухоли," сказал Ван.

"Используя направленную эволюцию, мы отобрали большое количество различных мутаций монободи, чтобы выбрать, какая из них будет связываться с PD-L1. Отобранная версия обладает этими особенностями, которые могут не только распознавать опухолевый PD-L1, но и блокировать тормозной механизм, который у него есть, а затем направлять CAR T-клетку к поверхности опухоли для атаки и уничтожения опухолевых клеток."

"Представьте, если бы вы хотели найти очень конкретную рыбу в океане – это было бы действительно сложно," сказал Лю. "Но теперь с платформой направленной эволюции, которую мы разработали, у нас есть способ выловить эти специфические белки с нужной функцией."

Исследовательская команда сейчас изучает, как оптимизировать белки для создания ещё более точных и эффективных CAR T-клеток перед переходом к клиническим применениям. Это также включает интеграцию белков с прорывными приложениями сфокусированного ультразвука лаборатории Вана для дистанционного управления CAR T-клетками, чтобы они активировались только на местах опухолей.

"У нас теперь есть все эти генетические инструменты для манипулирования, контроля и программирования этих иммунных клеток, чтобы они имели столько силы и функций," сказал Ван. "Мы надеемся создать новые способы направлять их функцию для особенно сложных случаев лечения твердых опухолей."