Tumörens "sköld" förvandlas till ett vapen mot tumören själv

Enligt Peter Insio Wang är tumörceller "listiga". De har ondskefulla sätt att undvika de mänskliga immunsvaren som bekämpar dessa cancerframkallande inkräktare. Tumörceller uttrycker programmerade dödsligand 1 (PD-L1)-molekyler, vilka fungerar som en skyddande sköld som undertrycker våra immunceller och skapar ett hinder för riktade cancerimmunterapier.

Wang, Alfred E. Mann-professuren i biomedicinsk teknik och innehavare av Dwight C. och Hildagard E. Baum-professuren i biomedicinsk teknik, leder ett laboratorium som är dedikerat till banbrytande forskning om modifierade immunterapier som utnyttjar det mänskliga immunförsvaret för att skapa en framtida arsenal i kampen mot cancer.

Forskare i Wangs laboratorium har utvecklat ett nytt tillvägagångssätt som förvandlar en tumörcells lömska försvarsmekanismer mot sig själv, och förvandlar dessa "sköld"-molekyler till måltavlor för Wangs laboratoriekonstruerade chimära antigenreceptor (CAR) T-celler programmerade att attackera cancer.

Arbetet, som utfördes av Wangs postdoktorala forskare Lingshan Zhu, tillsammans med Wang, forskaren Longwei Liu och deras medförfattare, publicerades i tidskriften ACS Nano.

CAR T-cellsterapi är en revolutionerande cancerbehandling där T-celler, en typ av vita blodkroppar, tas bort från en patient och ges en unik chimär antigenreceptor (CAR). CAR-receptorn binder till antigener associerade med cancerceller, vilket styr T-cellerna att döda cancercellerna.

Det senaste arbetet från Wangs laboratorium är en designad monobody för CAR T-celler, som teamet kallar PDbody, som binder till PD-L1-proteinet på en cancercell, vilket gör att CAR kan känna igen tumörcellen och blockera dess försvar.

"Tänk på CAR som en riktig bil. Du har en motor och gas. Men du har också en broms. I huvudsak driver motorn och gasen CAR T att röra sig framåt och döda tumören. Men PD-L1 fungerar som en broms som stoppar den", sa Wang.

I detta arbete konstruerade Zhu, Liu, Wang och teamet T-celler för att blockera denna hämmande "broms"-mekanism och göra PD-L1-molekylen till ett mål för destruktion.

"Denna chimära PDbody-CAR-molekyl kan få våra CAR T-celler att attackera, känna igen och döda tumören. Samtidigt kommer den att blockera och förhindra tumörcellen från att stoppa CAR T-cellens attack. På så sätt kommer våra CAR T-celler att bli kraftfullare", sa Wang.

CAR T-cellsterapi är mest effektiv mot "våta" cancerformer som leukemi. Utmaningen för forskare har varit att utveckla avancerade CAR T-celler som kan skilja mellan cancerceller och friska celler.

Wangs laboratorium utforskar sätt att rikta tekniken mot tumörer så att CAR T-celler aktiveras vid tumörstället utan att påverka frisk vävnad.

I detta arbete fokuserade teamet på en mycket invasiv form av bröstcancer som uttrycker proteinet PD-L1. PD-L1 uttrycks dock även av andra typer av celler. Forskarna tittade därför på tumörens unika mikromiljö – cellerna och matriserna som omedelbart omger tumören – för att säkerställa att deras designade PD-kropp skulle binda mer specifikt till cancerceller.

"Vi vet att pH-värdet i tumörmikromiljön är relativt lågt – det är lite surt", sa Zhu. "Så vi ville att vår PDbody skulle ha bättre bindningsförmåga i en sur mikromiljö, vilket skulle hjälpa vår PDbody att skilja tumörceller från andra omgivande celler."

För att förbättra behandlingens precision använde teamet ett genetiskt "grindsystem" som kallas SynNotch, vilket säkerställer att CAR T-celler med PDbody endast attackerar cancerceller som uttrycker ett annat protein som kallas CD19, vilket minskar risken för att skada friska celler.

"Enkelt uttryckt aktiveras T-celler bara vid tumörstället tack vare detta SynNotch-grindsystem", sa Zhu. "Inte bara är pH-värdet surare, utan tumörcellsytan avgör om T-cellen aktiveras, vilket ger oss två kontrollnivåer."

Zhu noterade att teamet använde en musmodell, och resultaten visade att SynNotch-grindsystemet styr CAR-T-celler med PDbody att aktiveras endast vid tumörstället, vilket dödar tumörceller samtidigt som de förblir säkra för andra delar av djuret.

En evolutionsinspirerad process för att skapa PDbody

Teamet använde beräkningsmetoder och hämtade inspiration från evolutionsprocessen för att skapa sina specialiserade PD-kroppar. Riktad evolution är en process som används inom biomedicinsk teknik för att efterlikna processen för naturligt urval i en laboratoriemiljö.

Forskarna skapade en plattform för riktad evolution med ett gigantiskt bibliotek av iterationer av deras designade protein för att upptäcka vilken version som kan vara mest effektiv.

"Vi behövde skapa något som skulle känna igen PD-L1 på tumörens yta", sa Wang.

"Med hjälp av riktad evolution valde vi ut ett stort antal olika monokroppsmutationer för att välja vilken som skulle binda till PD-L1. Den valda versionen har dessa egenskaper som inte bara kan känna igen tumörens PD-L1, utan också blockera den bromsmekanism som den har, och sedan styra CAR T-cellen till tumörytan för att attackera och döda tumörcellerna."

"Tänk dig om du ville hitta en väldigt specifik fisk i havet – det skulle vara riktigt svårt", sa Liu. "Men nu, med den riktade evolutionsplattformen vi har utvecklat, har vi ett sätt att fiska upp just dessa proteiner med rätt funktion."

Forskargruppen utforskar nu hur man kan optimera proteinerna för att skapa ännu mer precisa och effektiva CAR T-celler innan de går vidare till kliniska tillämpningar. Detta inkluderar även att integrera proteinerna med Wangs laboratoriums banbrytande fokuserade ultraljudsapplikationer för att fjärrstyra CAR T-celler så att de endast aktiveras på tumörställen.

"Vi har nu alla dessa genetiska verktyg för att manipulera, kontrollera och programmera dessa immunceller så att de får så mycket kraft och funktion", sa Wang. "Vi hoppas kunna skapa nya sätt att styra deras funktion för särskilt utmanande behandlingar av solida tumörer."