Premena "štítu" nádoru na zbraň proti samotnému nádoru

Podľa Petra Insia Wanga sú nádorové bunky „prefíkané“. Majú zákerné spôsoby, ako sa vyhýbať ľudským imunitným reakciám, ktoré bojujú proti týmto rakovinovým votrelcom. Nádorové bunky exprimujú molekuly programovaného ligandu smrti 1 (PD-L1), ktoré pôsobia ako ochranný štít potláčajúci naše imunitné bunky a vytvárajú prekážku pre cielené imunoterapie rakoviny.

Wang, držiteľ katedry Alfreda E. Manna v biomedicínskom inžinierstve a držiteľ katedry Dwighta C. a Hildagard E. Baumových v biomedicínskom inžinierstve, vedie laboratórium zamerané na priekopnícky výskum v oblasti umelo vytvorených imunoterapií, ktoré využívajú ľudský imunitný systém na vytvorenie budúceho arzenálu v boji proti rakovine.

Výskumníci vo Wangovom laboratóriu vyvinuli nový prístup, ktorý obracia zákerné obranné mechanizmy nádorovej bunky proti sebe samej a premieňa tieto molekuly „štítu“ na ciele pre Wangove laboratórne vytvorené chimérické antigénové receptory (CAR) T bunky naprogramované na útok na rakovinu.

Práca, ktorú vykonal Wangov laboratórny postdoktorand Lingshan Zhu spolu s Wangom, výskumným vedcom Longwei Liu a ich spoluautormi, bola publikovaná v časopise ACS Nano.

CAR T-bunková terapia je revolučná liečba rakoviny, pri ktorej sa pacientovi odoberú T-bunky, typ bielych krviniek, a pridá sa im jedinečný chimérický antigénový receptor (CAR). CAR sa viaže na antigény spojené s rakovinovými bunkami a riadi T-bunky, aby ich ničili.

Najnovšou prácou z Wangovho laboratória je navrhnutá monobody pre CAR T bunky, ktorú tím nazýva PDbody, ktorá sa viaže na proteín PD-L1 na rakovinovej bunke, čo umožňuje CAR rozpoznať nádorovú bunku a blokovať jej obranyschopnosť.

„Predstavte si CAR ako skutočné auto. Máte motor a plyn. Ale máte aj brzdu. V podstate motor a plyn tlačia CAR T dopredu a zabíjajú nádor. PD-L1 však funguje ako brzda, ktorá ho zastaví,“ povedal Wang.

V tejto práci Zhu, Liu, Wang a ich tím skonštruovali T bunky tak, aby blokovali tento inhibičný „brzdný“ mechanizmus a urobili z molekuly PD-L1 cieľ deštrukcie.

„Táto chimérna molekula PDbody-CAR dokáže prinútiť naše CAR T bunky napadnúť, rozpoznať a zabiť nádor. Zároveň blokuje a zabráni nádorovej bunke v zastavení útoku CAR T buniek. Týmto spôsobom budú naše CAR T bunky silnejšie,“ povedal Wang.

Terapia CAR T-bunkami je najúčinnejšia proti „vlhkým“ druhom rakoviny, ako je leukémia. Výzvou pre výskumníkov bolo vyvinúť pokročilé CAR T-bunky, ktoré dokážu rozlišovať medzi rakovinovými a zdravými bunkami.

Wangovo laboratórium skúma spôsoby, ako zamerať technológiu na nádory tak, aby sa CAR T bunky aktivovali v mieste nádoru bez ovplyvnenia zdravého tkaniva.

V tejto práci sa tím zameral na vysoko invazívnu formu rakoviny prsníka, ktorá exprimuje proteín PD-L1. PD-L1 však exprimujú aj iné typy buniek. Výskumníci sa preto zamerali na jedinečné mikroprostredie nádoru – bunky a matrice bezprostredne obklopujúce nádor – aby sa uistili, že ich navrhnutá PDbody sa bude špecifickejšie viazať na rakovinové bunky.

„Vieme, že pH v nádorovom mikroprostredí je relatívne nízke – je trochu kyslé,“ povedal Zhu. „Preto sme chceli, aby naša PDbody mala lepšiu väzbovú schopnosť v kyslom mikroprostredí, čo by pomohlo našej PDbody rozlíšiť nádorové bunky od okolitých buniek.“

Na zlepšenie presnosti liečby tím použil genetický systém „brány“ s názvom SynNotch, ktorý zabezpečuje, že CAR T bunky s PDbody napádajú iba rakovinové bunky exprimujúce iný proteín známy ako CD19, čím sa znižuje riziko poškodenia zdravých buniek.

„Jednoducho povedané, T bunky sa vďaka tomuto systému brán SynNotch aktivujú iba v mieste nádoru,“ povedal Zhu. „Nielenže je pH kyslejšie, ale povrch nádorových buniek určí, či sa T bunky aktivujú, čo nám dáva dve úrovne kontroly.“

Zhu poznamenal, že tím použil myší model a výsledky ukázali, že systém SynNotch gating riadi CAR T bunky s PDbody, aby sa aktivovali iba v mieste nádoru, čím zabíjajú nádorové bunky a zároveň zostávajú bezpečné pre ostatné časti zvieraťa.

Proces tvorby PDbody inšpirovaný evolúciou

Tím použil výpočtové metódy a inšpiroval sa procesom evolúcie na vytvorenie svojich špecializovaných PD teliesok. Riadená evolúcia je proces používaný v biomedicínskom inžinierstve na napodobnenie procesu prirodzeného výberu v laboratórnom prostredí.

Výskumníci vytvorili platformu pre riadenú evolúciu s obrovskou knižnicou iterácií navrhnutého proteínu, aby zistili, ktorá verzia by mohla byť najúčinnejšia.

„Potrebovali sme vytvoriť niečo, čo by rozpoznalo PD-L1 na povrchu nádoru,“ povedal Wang.

„Pomocou riadenej evolúcie sme vybrali veľké množstvo rôznych monobody mutácií, aby sme vybrali tú, ktorá sa bude viazať na PD-L1. Vybraná verzia má tieto vlastnosti, ktoré dokážu nielen rozpoznať nádorový PD-L1, ale aj zablokovať brzdný mechanizmus, ktorý má, a potom nasmerovať CAR T bunku na povrch nádoru, aby napadla a zabila nádorové bunky.“

„Predstavte si, že by ste chceli nájsť v oceáne veľmi špecifickú rybu – to by bolo naozaj ťažké,“ povedal Liu. „Ale teraz s platformou riadenej evolúcie, ktorú sme vyvinuli, máme spôsob, ako tieto špecifické proteíny so správnou funkciou vyloviť.“

Výskumný tím teraz skúma, ako optimalizovať proteíny na vytvorenie ešte presnejších a účinnejších CAR T buniek pred ich zavedením do klinických aplikácií. To zahŕňa aj integráciu proteínov s prelomovými ultrazvukovými aplikáciami Wangovho laboratória na diaľkové ovládanie CAR T buniek tak, aby boli aktivované iba v miestach nádoru.

„Teraz máme všetky tieto genetické nástroje na manipuláciu, kontrolu a programovanie týchto imunitných buniek, aby mali toľko sily a funkcií,“ povedal Wang. „Dúfame, že vytvoríme nové spôsoby, ako riadiť ich funkciu pre obzvlášť náročné liečby solídnych nádorov.“