Mengubah "perisai" tumor menjadi senjata melawan tumor itu sendiri

Menurut Peter Insio Wang, sel tumor adalah "licik." Mereka mempunyai cara jahat untuk mengelakkan tindak balas imun manusia yang melawan penceroboh kanser ini. Sel tumor mengekspresikan molekul ligan kematian 1 (PD-L1) yang telah diprogramkan, yang bertindak sebagai perisai pelindung yang menindas sel imun kita, mewujudkan halangan kepada imunoterapi kanser yang disasarkan.

Wang, Pengerusi Alfred E. Mann dalam Kejuruteraan Bioperubatan dan pemegang Dwight C. dan Hildagard E. Baum Pengerusi dalam Kejuruteraan Bioperubatan, mengetuai makmal khusus untuk merintis penyelidikan ke dalam imunoterapi kejuruteraan yang memanfaatkan sistem imun manusia untuk mencipta senjata masa depan dalam memerangi kanser.

Penyelidik di makmal Wang telah membangunkan pendekatan baharu yang mengubah mekanisme pertahanan sel tumor yang berbahaya terhadap dirinya sendiri, menjadikan molekul "perisai" ini menjadi sasaran untuk sel T reseptor antigen chimeric (CAR) kejuruteraan makmal Wang yang diprogramkan untuk menyerang kanser.

Kerja itu, yang dikendalikan oleh rakan pasca doktoral makmal Wang Lingshan Zhu, bersama Wang, saintis penyelidikan Longwei Liu dan pengarang bersama mereka, diterbitkan dalam jurnal ACS Nano.

Terapi sel T CAR ialah rawatan kanser revolusioner di mana sel T, sejenis sel darah putih, dikeluarkan daripada pesakit dan diberi reseptor antigen chimeric (CAR) yang unik. CAR mengikat antigen yang dikaitkan dengan sel kanser, mengarahkan sel T untuk membunuh sel kanser.

Kerja terbaharu daripada makmal Wang ialah monobody yang direka bentuk untuk sel T CAR, yang pasukan itu memanggil PDbody, yang mengikat protein PD-L1 pada sel kanser, membolehkan CAR mengenali sel tumor dan menyekat pertahanannya.

"Fikirkan CAR sebagai kereta sebenar. Anda mempunyai enjin dan gas. Tetapi anda juga mempunyai brek. Pada asasnya, enjin dan gas menolak CAR T untuk bergerak ke hadapan dan membunuh tumor. Tetapi PD-L1 bertindak sebagai brek yang menghentikannya, "kata Wang.

Dalam kerja ini, Zhu, Liu, Wang dan pasukan merekayasa sel T untuk menyekat mekanisme "brek" yang menghalang ini dan menjadikan molekul PD-L1 sebagai sasaran untuk dimusnahkan.

"Molekul PDbody-CAR chimeric ini boleh membuat sel T CAR kita menyerang, mengenali dan membunuh tumor. Pada masa yang sama, ia akan menyekat dan menghalang sel tumor daripada menghentikan serangan sel T CAR. Dengan cara ini, sel T CAR kita akan menjadi lebih berkuasa," kata Wang.

Terapi sel T CAR paling berkesan terhadap kanser "basah" seperti leukemia. Cabaran untuk penyelidik adalah untuk membangunkan sel T CAR canggih yang boleh membezakan antara kanser dan sel yang sihat.

Makmal Wang sedang meneroka cara untuk menyasarkan teknologi kepada tumor supaya sel T CAR diaktifkan di tapak tumor tanpa menjejaskan tisu yang sihat.

Dalam kerja ini, pasukan memberi tumpuan kepada bentuk kanser payudara yang sangat invasif yang mengekspresikan protein PD-L1. Walau bagaimanapun, PD-L1 juga dinyatakan oleh jenis sel lain. Jadi para penyelidik melihat persekitaran mikro tumor yang unik - sel dan matriks serta-merta mengelilingi tumor - untuk memastikan bahawa PDbody mereka yang direka akan mengikat lebih khusus kepada sel-sel kanser.

"Kami tahu bahawa pH dalam persekitaran mikro tumor agak rendah - ia sedikit berasid, " kata Zhu. "Jadi kami mahu badan PD kami mempunyai keupayaan mengikat yang lebih baik dalam persekitaran mikro berasid, yang akan membantu badan PD kami membezakan sel tumor daripada sel sekeliling yang lain."

Untuk meningkatkan ketepatan rawatan, pasukan itu menggunakan sistem "pintu" genetik yang dipanggil SynNotch, yang memastikan sel T CAR dengan PDbody menyerang hanya sel kanser yang mengekspresikan protein berbeza yang dikenali sebagai CD19, mengurangkan risiko merosakkan sel sihat.

"Ringkasnya, sel T hanya akan diaktifkan di tapak tumor terima kasih kepada sistem pintu SynNotch ini," kata Zhu. "Bukan sahaja pH lebih berasid, tetapi permukaan sel tumor akan menentukan sama ada sel T akan diaktifkan, memberikan kita dua tahap kawalan."

Zhu menyatakan bahawa pasukan itu menggunakan model tetikus, dan keputusan menunjukkan bahawa sistem gating SynNotch mengarahkan sel T CAR dengan PDbody untuk mengaktifkan hanya di tapak tumor, membunuh sel tumor sambil kekal selamat untuk bahagian lain haiwan itu.

Proses yang diilhamkan oleh evolusi untuk mencipta PDbody

Pasukan ini menggunakan kaedah pengiraan dan mengambil inspirasi daripada proses evolusi untuk mencipta badan PD khusus mereka. Evolusi terarah ialah proses yang digunakan dalam kejuruteraan bioperubatan untuk meniru proses pemilihan semula jadi dalam persekitaran makmal.

Para penyelidik mencipta platform evolusi terarah dengan perpustakaan gergasi lelaran protein mereka yang direka untuk mengetahui versi mana yang mungkin paling berkesan.

"Kami perlu mencipta sesuatu yang akan mengenali PD-L1 pada permukaan tumor, " kata Wang.

"Dengan menggunakan evolusi terarah, kami memilih sejumlah besar mutasi monobody yang berbeza untuk memilih yang mana satu akan terikat kepada PD-L1. Versi yang dipilih mempunyai ciri ini yang bukan sahaja dapat mengenali tumor PD-L1, tetapi juga menyekat mekanisme brek yang ada padanya, dan kemudian mengarahkan sel CAR T ke permukaan tumor untuk menyerang dan membunuh sel tumor."

"Bayangkan jika anda ingin mencari ikan yang sangat spesifik di lautan - itu akan menjadi sangat sukar," kata Liu. "Tetapi sekarang dengan platform evolusi terarah yang telah kami bangunkan, kami mempunyai cara untuk menangkap protein khusus ini dengan fungsi yang betul."

Pasukan penyelidik kini meneroka cara mengoptimumkan protein untuk mencipta sel T CAR yang lebih tepat dan berkesan sebelum beralih ke aplikasi klinikal. Ini juga termasuk menyepadukan protein dengan aplikasi ultrasound tertumpu terobosan makmal Wang untuk mengawal sel T CAR dari jauh supaya ia diaktifkan hanya di tapak tumor.

"Kami kini mempunyai semua alat genetik ini untuk memanipulasi, mengawal dan memprogramkan sel-sel imun ini untuk mempunyai kuasa dan fungsi yang begitu banyak, " kata Wang. "Kami berharap dapat mencipta cara baharu untuk mengarahkan fungsi mereka untuk rawatan tumor pepejal yang mencabar."