Künstliche Intelligenz entwickelt molekulare „Raketen“ zur Bekämpfung von Krebszellen

Die personalisierte Krebsbehandlung erreicht ein neues Niveau, da Forscher eine KI-Plattform entwickelt haben, die nun Proteinkomponenten anpassen und die Immunzellen eines Patienten für den Kampf gegen den Krebs „waffnen“ kann.

Eine neue Methode, die in der Zeitschrift Science beschrieben wird, zeigt zum ersten Mal, dass es möglich ist, Proteine auf einem Computer zu entwerfen, die Immunzellen umleiten können, um Krebszellen mithilfe von pMHC-Molekülen abzutöten.

Dadurch verkürzt sich die Zeit, die für die Suche nach wirksamen Molekülen für die Krebstherapie benötigt wird, drastisch – von mehreren Jahren auf mehrere Wochen.

„Wir entwickeln im Wesentlichen ein neues Augenpaar für das Immunsystem. Aktuelle personalisierte Krebsbehandlungen basieren darauf, sogenannte T-Zell-Rezeptoren im Immunsystem des Patienten oder Spenders zu finden, die therapeutisch genutzt werden können. Dies ist ein sehr langer und komplexer Prozess. Unsere Plattform entwickelt molekulare Schlüssel zur Erkennung von Krebszellen mithilfe von KI und zwar mit unglaublicher Geschwindigkeit. So kann ein Kandidatenmolekül in nur vier bis sechs Wochen entwickelt werden“, erklärt Timothy P. Jenkins, außerordentlicher Professor an der Technischen Universität Dänemark (DTU) und Letztautor der Studie.

Zielgerichtete Raketen gegen Krebs

Die gemeinsam von Spezialisten der DTU und des Scripps Research Institute (USA) entwickelte KI-Plattform löst eines der Hauptprobleme im Bereich der Immuntherapie: die Entwicklung gezielter Methoden zur Behandlung von Tumoren, ohne gesundes Gewebe zu schädigen.

Typischerweise erkennen T-Zellen Krebszellen auf natürliche Weise, indem sie auf spezifische Peptide reagieren, die von pMHC-Molekülen auf der Zelloberfläche präsentiert werden. Die Umsetzung dieses Wissens in die Therapie ist ein langsamer und schwieriger Prozess, insbesondere weil die individuelle T-Zell-Rezeptorvielfalt die Entwicklung universeller, personalisierter Behandlungen verhindert.

Stärkung des körpereigenen Immunsystems

In der Studie testeten die Wissenschaftler die Wirksamkeit der Plattform an einem bekannten Zielmolekül, NY-ESO-1, das in verschiedenen Krebsarten vorkommt. Dem Team gelang es, einen Minibinder zu entwickeln, der fest an NY-ESO-1-pMHC-Moleküle bindet.

Durch das Einfügen dieses Proteins in T-Zellen entstand ein neues Zellkonstrukt, das die Forscher IMPAC-T-Zellen nannten. Diese Zellen leiteten in Laborexperimenten T-Zellen effektiv an, Krebszellen abzutöten.

„Es war unglaublich spannend zu sehen, wie Mini-Bindungsproteine, die vollständig am Computer entwickelt wurden, im Labor so effizient funktionieren“, sagt Postdoc Christoffer Haurum Johansen, Co-Autor der Studie und Forscher an der DTU.

Die Wissenschaftler nutzten die Plattform außerdem, um Proteine zu entwickeln, die auf ein Krebsziel abzielen, das bei einem Patienten mit metastasiertem Melanom identifiziert wurde. Auch für diesen Zweck gelang es ihnen, Wirkstoffe zu entwickeln. Damit bewiesen sie, dass die Methode auf neue individuelle Krebsziele angewendet werden kann.

Virtueller Sicherheitscheck

Das Kernelement der Innovation war die Entwicklung eines virtuellen Sicherheitstests. Wissenschaftler nutzten KI, um die von ihnen entwickelten Minibinder zu prüfen und sie mit pMHC-Molekülen auf gesunden Zellen zu vergleichen. So konnten sie potenziell gefährliche Moleküle vor Beginn der Experimente herausfiltern.

„Präzision ist bei der Krebsbehandlung von entscheidender Bedeutung. Indem wir Kreuzreaktionen bereits in der Entwicklungsphase vorhersagten und eliminierten, konnten wir die Risiken verringern und die Wahrscheinlichkeit erhöhen, eine sichere und wirksame Therapie zu entwickeln“, erklärt DTU-Professorin und Co-Autorin der Studie, Sine Reker Hadrup.

Behandlung - nach fünf Jahren

Jenkins schätzt, dass es bis zu fünf Jahre dauern wird, bis die ersten klinischen Studien am Menschen durchgeführt werden. Nach der Umsetzung wird die Methode bestehenden Methoden ähneln, die genetisch veränderte T-Zellen verwenden, die sogenannte CAR-T-Therapie, die zur Behandlung von Lymphomen und Leukämie eingesetzt wird.

Zunächst wird dem Patienten wie bei einem normalen Test Blut abgenommen. Aus diesem Blut werden Immunzellen extrahiert und im Labor durch Injektion von KI-entwickelten Minibindern modifiziert. Die verstärkten Immunzellen werden dann dem Patienten zurückgegeben und fungieren als Lenkwaffen, die Krebszellen im Körper gezielt aufspüren und zerstören.