Den "Schild" eines Tumors in eine Waffe gegen den Tumor selbst verwandeln

Laut Peter Insio Wang sind Tumorzellen „listig“. Sie verfügen über heimtückische Methoden, der menschlichen Immunreaktion zu entgehen, die diese krebsartigen Eindringlinge bekämpft. Tumorzellen exprimieren Moleküle des programmierten Zelltod-Liganden 1 (PD-L1), die wie ein Schutzschild wirken und unsere Immunzellen unterdrücken. Dies stellt ein Hindernis für gezielte Krebsimmuntherapien dar.

Wang, Inhaber des Alfred E. Mann-Lehrstuhls für Biomedizintechnik und des Dwight C. und Hildagard E. Baum-Lehrstuhls für Biomedizintechnik, leitet ein Labor, das sich der bahnbrechenden Forschung zu künstlichen Immuntherapien widmet, die das menschliche Immunsystem nutzen, um ein zukünftiges Arsenal im Kampf gegen Krebs zu schaffen.

Forscher in Wangs Labor haben einen neuen Ansatz entwickelt, der die heimtückischen Abwehrmechanismen einer Tumorzelle gegen sich selbst richtet, indem sie diese „Schild“-Moleküle in Ziele für Wangs im Labor gezüchtete chimäre Antigenrezeptor-(CAR)-T-Zellen verwandeln, die darauf programmiert sind, Krebs anzugreifen.

Die Arbeit, die von Wangs Labor-Postdoktorand Lingshan Zhu zusammen mit Wang, dem Forschungswissenschaftler Longwei Liu und ihren Co-Autoren durchgeführt wurde, wurde in der Zeitschrift ACS Nano veröffentlicht.

Die CAR-T-Zelltherapie ist eine revolutionäre Krebsbehandlung, bei der T-Zellen, eine Art weißer Blutkörperchen, dem Patienten entnommen und mit einem einzigartigen chimären Antigenrezeptor (CAR) versehen werden. Der CAR bindet an mit Krebszellen assoziierte Antigene und veranlasst die T-Zellen, die Krebszellen abzutöten.

Die neueste Arbeit aus Wangs Labor ist ein spezieller Monokörper für CAR-T-Zellen, den das Team PDbody nennt. Dieser bindet an das PD-L1-Protein auf einer Krebszelle, wodurch der CAR die Tumorzelle erkennen und ihre Abwehr blockieren kann.

„Stellen Sie sich CAR wie ein echtes Auto vor. Sie haben einen Motor und Benzin. Aber Sie haben auch eine Bremse. Im Wesentlichen treiben Motor und Benzin CAR T an, sich vorwärts zu bewegen und den Tumor abzutöten. Aber PD-L1 wirkt wie eine Bremse, die ihn stoppt“, sagte Wang.

In dieser Arbeit haben Zhu, Liu, Wang und ihr Team T-Zellen so manipuliert, dass sie diesen hemmenden „Bremsmechanismus“ blockieren und das PD-L1-Molekül zu einem Ziel der Zerstörung machen.

„Dieses chimäre PDbody-CAR-Molekül kann unsere CAR-T-Zellen dazu bringen, den Tumor anzugreifen, zu erkennen und abzutöten. Gleichzeitig blockiert es die Tumorzelle und verhindert, dass sie den Angriff der CAR-T-Zelle stoppt. Auf diese Weise werden unsere CAR-T-Zellen leistungsfähiger“, sagte Wang.

Die CAR-T-Zelltherapie ist am wirksamsten gegen „feuchte“ Krebsarten wie Leukämie. Die Herausforderung für die Forscher besteht darin, fortschrittliche CAR-T-Zellen zu entwickeln, die zwischen Krebszellen und gesunden Zellen unterscheiden können.

Wangs Labor erforscht Möglichkeiten, die Technologie gezielt auf Tumore auszurichten, sodass CAR-T-Zellen an der Tumorstelle aktiviert werden, ohne gesundes Gewebe zu beeinträchtigen.

In dieser Arbeit konzentrierte sich das Team auf eine hochinvasive Form von Brustkrebs, die das Protein PD-L1 exprimiert. PD-L1 wird jedoch auch von anderen Zelltypen exprimiert. Daher untersuchten die Forscher die einzigartige Tumormikroumgebung – die Zellen und Matrizen, die den Tumor unmittelbar umgeben –, um sicherzustellen, dass ihr entwickelter PDbody spezifischer an Krebszellen bindet.

„Wir wissen, dass der pH-Wert im Tumormikromilieu relativ niedrig ist – er ist leicht sauer“, sagte Zhu. „Deshalb wollten wir unserem PDbody eine bessere Bindungsfähigkeit in einem sauren Mikromilieu verleihen, um Tumorzellen von anderen umgebenden Zellen unterscheiden zu können.“

Um die Präzision der Behandlung zu verbessern, verwendete das Team ein genetisches „Gate“-System namens SynNotch, das sicherstellt, dass CAR-T-Zellen mit PDbody nur Krebszellen angreifen, die ein anderes Protein namens CD19 exprimieren, wodurch das Risiko einer Schädigung gesunder Zellen verringert wird.

„Einfach ausgedrückt: Dank dieses SynNotch-Gate-Systems werden T-Zellen nur am Tumor aktiviert“, sagte Zhu. „Nicht nur der pH-Wert ist saurer, sondern auch die Tumorzelloberfläche bestimmt, ob die T-Zelle aktiviert wird. Das gibt uns zwei Kontrollebenen.“

Zhu wies darauf hin, dass das Team ein Mausmodell verwendet habe und die Ergebnisse zeigten, dass das SynNotch-Gating-System CAR-T-Zellen mit PDbody anweist, nur an der Tumorstelle aktiviert zu werden, wodurch Tumorzellen abgetötet werden, während andere Körperteile des Tieres geschont werden.

Ein evolutionär inspirierter Prozess zur Herstellung von PDbody

Das Team nutzte rechnergestützte Methoden und ließ sich vom Evolutionsprozess inspirieren, um seine spezialisierten PDbodies zu entwickeln. Gerichtete Evolution ist ein Verfahren der Biomedizintechnik, das den Prozess der natürlichen Selektion im Labor nachahmt.

Die Forscher erstellten eine Plattform für gerichtete Evolution mit einer riesigen Bibliothek von Iterationen ihres entworfenen Proteins, um herauszufinden, welche Version am effektivsten sein könnte.

„Wir mussten etwas schaffen, das PD-L1 auf der Oberfläche des Tumors erkennt“, sagte Wang.

„Mithilfe der gerichteten Evolution haben wir eine große Anzahl verschiedener Monobody-Mutationen ausgewählt, um diejenige auszuwählen, die an PD-L1 bindet. Die ausgewählte Version verfügt über diese Eigenschaften, die nicht nur Tumor-PD-L1 erkennen, sondern auch dessen Bremsmechanismus blockieren und dann die CAR-T-Zelle an die Oberfläche des Tumors leiten können, um die Tumorzellen anzugreifen und abzutöten.“

„Stellen Sie sich vor, Sie wollten im Meer einen ganz bestimmten Fisch finden – das wäre wirklich schwierig“, sagte Liu. „Aber jetzt, mit der von uns entwickelten Plattform für gerichtete Evolution, können wir genau diese Proteine mit der richtigen Funktion herausfischen.“

Das Forschungsteam untersucht nun, wie sich die Proteine optimieren lassen, um noch präzisere und effektivere CAR-T-Zellen zu erzeugen, bevor sie in die klinische Anwendung übergehen. Dazu gehört auch die Integration der Proteine in die bahnbrechenden fokussierten Ultraschallanwendungen von Wangs Labor zur Fernsteuerung von CAR-T-Zellen, sodass diese nur an Tumorstellen aktiviert werden.

„Wir verfügen nun über alle genetischen Werkzeuge, um diese Immunzellen zu manipulieren, zu kontrollieren und zu programmieren, damit sie so viel Kraft und Funktion haben“, sagte Wang. „Wir hoffen, neue Wege zu finden, ihre Funktion für die Behandlung besonders anspruchsvoller solider Tumore zu steuern.“