At gøre en tumors 'skjold' til et våben mod selve tumoren

Ifølge Peter Insio Wang er tumorceller "snedige". De har uhyggelige måder at undgå de menneskelige immunresponser, der bekæmper disse kræftfremkaldende angribere. Tumorceller udtrykker programmeret dødsligand 1 (PD-L1) molekyler, der fungerer som et beskyttende skjold, der undertrykker vores immunceller og skaber en hindring for målrettede kræftimmunterapier.

Wang, Alfred E. Mann-professoratet i biomedicinsk teknik og indehaver af Dwight C. og Hildagard E. Baum-professoratet i biomedicinsk teknik, leder et laboratorium dedikeret til banebrydende forskning i manipulerede immunterapier, der udnytter det menneskelige immunsystem til at skabe et fremtidigt arsenal i kampen mod kræft.

Forskere i Wangs laboratorium har udviklet en ny tilgang, der vender en tumorcelles snigende forsvarsmekanismer mod sig selv og forvandler disse "skjold"-molekyler til mål for Wangs laboratoriekonstruerede kimære antigenreceptor (CAR) T-celler, der er programmeret til at angribe kræft.

Arbejdet, udført af Wangs postdoc-stipendiat Lingshan Zhu, sammen med Wang, forsker Longwei Liu og deres medforfattere, blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano.

CAR T-celleterapi er en revolutionerende kræftbehandling, hvor T-celler, en type hvide blodlegemer, fjernes fra en patient og tildeles en unik kimær antigenreceptor (CAR). CAR'en binder sig til antigener forbundet med kræftceller og instruerer T-cellerne i at dræbe kræftcellerne.

Det seneste arbejde fra Wangs laboratorium er et designet monobody til CAR T-celler, som teamet kalder PDbody, der binder sig til PD-L1-proteinet på en kræftcelle, hvilket gør det muligt for CAR at genkende tumorcellen og blokere dens forsvar.

"Tænk på CAR som en rigtig bil. Du har en motor og benzin. Men du har også en bremse. I bund og grund skubber motoren og benzinen CAR T til at bevæge sig fremad og dræbe tumoren. Men PD-L1 fungerer som en bremse, der stopper den," sagde Wang.

I dette arbejde konstruerede Zhu, Liu, Wang og teamet T-celler til at blokere denne hæmmende "bremse"-mekanisme og gøre PD-L1-molekylet til et mål for destruktion.

"Dette kimære PDbody-CAR-molekyle kan få vores CAR T-celler til at angribe, genkende og dræbe tumoren. Samtidig vil det blokere og forhindre tumorcellen i at stoppe CAR T-cellens angreb. På denne måde vil vores CAR T-celler være mere kraftfulde," sagde Wang.

CAR T-celleterapi er mest effektiv mod "våde" kræftformer såsom leukæmi. Udfordringen for forskere har været at udvikle avancerede CAR T-celler, der kan skelne mellem kræftceller og raske celler.

Wangs laboratorium undersøger måder at målrette teknologien mod tumorer, så CAR T-celler aktiveres på tumorstedet uden at påvirke sundt væv.

I dette arbejde fokuserede teamet på en meget invasiv form for brystkræft, der udtrykker proteinet PD-L1. PD-L1 udtrykkes dog også af andre typer celler. Forskerne undersøgte derfor det unikke tumormikromiljø – cellerne og matricerne, der omgiver tumoren umiddelbart – for at sikre, at deres designede PDbody ville binde mere specifikt til kræftceller.

"Vi ved, at pH-værdien i tumormikromiljøet er relativt lav - den er lidt sur," sagde Zhu. "Så vi ønskede, at vores PDbody skulle have bedre bindingsevne i et surt mikromiljø, hvilket ville hjælpe vores PDbody med at skelne tumorceller fra andre omgivende celler."

For at forbedre præcisionen af behandlingen brugte teamet et genetisk "gate"-system kaldet SynNotch, som sikrer, at CAR T-celler med PDbody kun angriber kræftceller, der udtrykker et andet protein kendt som CD19, hvilket reducerer risikoen for at skade raske celler.

"Kort sagt, T-celler vil kun blive aktiveret på tumorstedet takket være dette SynNotch-gatesystem," sagde Zhu. "Ikke alene er pH-værdien mere sur, men tumorcelleoverfladen vil bestemme, om T-cellen vil blive aktiveret, hvilket giver os to niveauer af kontrol."

Zhu bemærkede, at teamet brugte en musemodel, og resultaterne viste, at SynNotch-gatingsystemet dirigerer CAR T-celler med PDbody til kun at aktiveres på tumorstedet, hvilket dræber tumorceller, mens de forbliver sikre for andre dele af dyret.

En evolutionsinspireret proces til at skabe PDbody

Holdet brugte beregningsmetoder og hentede inspiration fra evolutionsprocessen til at skabe deres specialiserede PDbodies. Styret evolution er en proces, der anvendes i biomedicinsk teknik til at efterligne processen med naturlig selektion i et laboratoriemiljø.

Forskerne skabte en platform for rettet evolution med et gigantisk bibliotek af iterationer af deres designede protein for at finde ud af, hvilken version der kunne være mest effektiv.

"Vi var nødt til at skabe noget, der kunne genkende PD-L1 på tumorens overflade," sagde Wang.

"Ved hjælp af rettet evolution udvalgte vi et stort antal forskellige monobody-mutationer for at udvælge, hvilken der ville binde til PD-L1. Den udvalgte version har disse egenskaber, der ikke kun kan genkende tumor PD-L1, men også blokere den bremsemekanisme, den har, og derefter dirigere CAR T-cellen til tumorens overflade for at angribe og dræbe tumorcellerne."

"Forestil dig, hvis du ville finde en meget specifik fisk i havet – det ville være virkelig svært," sagde Liu. "Men nu, med den platform for styrede evolutioner, vi har udviklet, har vi en måde at fiske disse specifikke proteiner ud med den rette funktion."

Forskerholdet undersøger nu, hvordan man kan optimere proteinerne for at skabe endnu mere præcise og effektive CAR T-celler, før de går videre til kliniske anvendelser. Dette inkluderer også integration af proteinerne med Wangs laboratoriums banebrydende fokuserede ultralydsapplikationer for at fjernstyre CAR T-celler, så de kun aktiveres på tumorsteder.

"Vi har nu alle disse genetiske værktøjer til at manipulere, kontrollere og programmere disse immunceller til at have så meget kraft og funktion," sagde Wang. "Vi håber at kunne skabe nye måder at styre deres funktion på til særligt udfordrende behandlinger af solide tumorer."