Bir tümörün 'kalkanını' tümörün kendisine karşı bir silaha dönüştürmek

Peter Insio Wang'a göre tümör hücreleri "kurnazdır." Bu kanserli istilacılara karşı savaşan insan bağışıklık tepkilerinden kaçınmak için uğursuz yollara sahiptirler. Tümör hücreleri, bağışıklık hücrelerimizi baskılayan koruyucu bir kalkan görevi gören programlanmış ölüm ligandı 1 (PD-L1) moleküllerini ifade eder ve hedefli kanser immünoterapilerine engel oluşturur.

Biyomedikal Mühendisliği Alfred E. Mann Kürsüsü ve Dwight C. ve Hildagard E. Baum Biyomedikal Mühendisliği Kürsüsü sahibi olan Wang, kanserle mücadelede gelecekte kullanılabilecek bir cephanelik oluşturmak amacıyla insan bağışıklık sistemini harekete geçiren tasarlanmış immünoterapiler konusunda öncü araştırmalara adanmış bir laboratuvara liderlik ediyor.

Wang'ın laboratuvarındaki araştırmacılar, tümör hücrelerinin kendilerine karşı olan sinsi savunma mekanizmalarını, bu "kalkan" moleküllerini, Wang'ın kansere saldırmak üzere programlanmış laboratuvarda geliştirilmiş kimerik antijen reseptörü (CAR) T hücreleri için hedeflere dönüştüren yeni bir yaklaşım geliştirdiler.

Wang'ın laboratuvarındaki doktora sonrası araştırmacı Lingshan Zhu, Wang, araştırma bilimcisi Longwei Liu ve diğer yazarlar tarafından yürütülen çalışma ACS Nano dergisinde yayımlandı.

CAR T hücre terapisi, bir beyaz kan hücresi türü olan T hücrelerinin bir hastadan çıkarılıp benzersiz bir kimerik antijen reseptörü (CAR) verildiği devrim niteliğinde bir kanser tedavisidir. CAR, kanser hücreleriyle ilişkili antijenlere bağlanarak T hücrelerini kanser hücrelerini öldürmeye yönlendirir.

Wang'ın laboratuvarının son çalışması, ekibin PDbody adını verdiği, kanser hücresindeki PD-L1 proteinine bağlanan ve CAR'ın tümör hücresini tanımasını ve savunmasını engellemesini sağlayan CAR T hücreleri için tasarlanmış bir monobody.

"CAR'ı gerçek bir araba olarak düşünün. Bir motorunuz ve gazınız var. Ama aynı zamanda bir freniniz de var. Esasen, motor ve gaz CAR T'yi ileri doğru iter ve tümörü öldürür. Ama PD-L1 onu durduran bir fren görevi görür," dedi Wang.

Zhu, Liu, Wang ve ekibi bu çalışmada, bu engelleyici "fren" mekanizmasını bloke edecek ve PD-L1 molekülünü yıkım hedefi haline getirecek T hücreleri tasarladılar.

"Bu kimerik PDbody-CAR molekülü, CAR T hücrelerimizin tümöre saldırmasını, onu tanımasını ve öldürmesini sağlayabilir. Aynı zamanda, tümör hücresinin CAR T hücresinin saldırısını durdurmasını engelleyecek ve önleyecektir. Bu şekilde, CAR T hücrelerimiz daha güçlü olacaktır," dedi Wang.

CAR T hücre terapisi lösemi gibi "ıslak" kanserlere karşı en etkilidir. Araştırmacılar için zorluk, kanser hücreleri ile sağlıklı hücreleri ayırt edebilen gelişmiş CAR T hücreleri geliştirmek olmuştur.

Wang'ın laboratuvarı, sağlıklı dokuyu etkilemeden CAR T hücrelerinin tümör bölgesinde aktive olmasını sağlayacak şekilde teknolojiyi tümörlere hedeflemenin yollarını araştırıyor.

Bu çalışmada ekip, PD-L1 proteinini ifade eden oldukça invaziv bir meme kanseri türüne odaklandı. Ancak PD-L1, diğer hücre tipleri tarafından da ifade edilir. Bu nedenle araştırmacılar, tasarlanmış PDbody'lerinin kanser hücrelerine daha spesifik olarak bağlanacağından emin olmak için benzersiz tümör mikro ortamına -tümörü hemen çevreleyen hücreler ve matrisler- baktılar.

"Tümör mikroçevresindeki pH'ın nispeten düşük olduğunu biliyoruz - biraz asidik," dedi Zhu. "Bu yüzden PDbody'mizin asidik bir mikroçevrede daha iyi bağlanma yeteneğine sahip olmasını istedik, bu da PDbody'mizin tümör hücrelerini çevredeki diğer hücrelerden ayırt etmesine yardımcı olacaktı."

Tedavinin hassasiyetini artırmak için ekip, PDbody'li CAR T hücrelerinin yalnızca CD19 olarak bilinen farklı bir proteini ifade eden kanser hücrelerine saldırmasını sağlayan ve böylece sağlıklı hücrelere zarar verme riskini azaltan SynNotch adı verilen bir genetik "kapı" sistemi kullandı.

Zhu, "Basitçe söylemek gerekirse, T hücreleri yalnızca bu SynNotch kapı sistemi sayesinde tümör bölgesinde aktive olacak," dedi. "Sadece pH daha asidik olmakla kalmayacak, aynı zamanda tümör hücre yüzeyi de T hücresinin aktive olup olmayacağını belirleyecek ve bize iki düzeyde kontrol sağlayacak."

Zhu, ekibin bir fare modeli kullandığını ve sonuçların SynNotch geçit sisteminin PDbody içeren CAR T hücrelerini yalnızca tümör bölgesinde aktive edecek şekilde yönlendirdiğini, tümör hücrelerini öldürürken hayvanın diğer kısımları için güvenli kaldığını gösterdiğini belirtti.

PDbody'yi yaratmak için evrimden ilham alan bir süreç

Ekip, hesaplamalı yöntemler kullandı ve uzmanlaşmış PDbody'lerini yaratmak için evrim sürecinden ilham aldı. Yönlendirilmiş evrim, biyomedikal mühendisliğinde laboratuvar ortamında doğal seçilim sürecini taklit etmek için kullanılan bir süreçtir.

Araştırmacılar, hangi versiyonun en etkili olabileceğini keşfetmek için tasarlanmış proteinin yinelemelerinden oluşan devasa bir kütüphaneye sahip yönlendirilmiş bir evrim platformu oluşturdular.

Wang, "Tümörün yüzeyinde PD-L1'i tanıyacak bir şey yaratmamız gerekiyordu" dedi.

"Yönlendirilmiş evrimi kullanarak, PD-L1'e bağlanacak olanı seçmek için çok sayıda farklı monobody mutasyonu seçtik. Seçilen versiyon, yalnızca tümör PD-L1'i tanımakla kalmayıp aynı zamanda sahip olduğu fren mekanizmasını da bloke edebilen ve ardından CAR T hücresini tümör yüzeyine yönlendirerek tümör hücrelerine saldıran ve onları öldüren bu özelliklere sahiptir."

"Okyanusta çok belirli bir balığı bulmak istediğinizi düşünün - bu gerçekten zor olurdu," dedi Liu. "Ancak şimdi geliştirdiğimiz yönlendirilmiş evrim platformuyla, doğru işleve sahip bu belirli proteinleri ortaya çıkarmanın bir yoluna sahibiz."

Araştırma ekibi şimdi, klinik uygulamalara geçmeden önce proteinleri daha da hassas ve etkili CAR T hücreleri oluşturmak için nasıl optimize edeceklerini araştırıyor. Bu, proteinleri Wang'ın laboratuvarının çığır açan odaklanmış ultrason uygulamalarıyla entegre ederek CAR T hücrelerini yalnızca tümör bölgelerinde aktive edecek şekilde uzaktan kontrol etmeyi de içeriyor.

"Artık bu bağışıklık hücrelerini çok fazla güç ve işleve sahip olacak şekilde manipüle etmek, kontrol etmek ve programlamak için tüm bu genetik araçlara sahibiz," dedi Wang. "Özellikle zorlu katı tümör tedavileri için işlevlerini yönlendirmenin yeni yollarını yaratmayı umuyoruz."