Le cellule dei tumori sono “astute”, secondo Peter Yingxiao Wang. Hanno un modo nefasto di eludere le risposte immunitarie umane che combattono contro questi invasori cancerosi. Le cellule tumorali esprimono molecole di ligando di morte programmato 1 (PD-L1), che funzionano come uno scudo difensivo che sopprime le nostre cellule immunitarie, ponendo un ostacolo per le immunoterapie mirate contro il cancro.
Come usare i tumori contro se stessi
Wang, presidente del Dipartimento di ingegneria biomedica Alfred E. Mann e della cattedra Dwight C. e Hildagarde E. Baum di ingegneria biomedica, dirige un laboratorio che conduce ricerche pionieristiche sulle immunoterapie ingegnerizzate che sfruttano il sistema immunitario umano per creare un futuro arsenale nella lotta contro il cancro.
I ricercatori del Wang Lab hanno ora sviluppato un nuovo approccio che trasforma gli astuti meccanismi di difesa di una cellula tumorale contro di essa, convertendo queste molecole “scudo” in un bersaglio per le cellule T del recettore chimerico dell’antigene (CAR) progettate dal Wang Lab, programmate per attaccare i tumori.
Il lavoro, condotto dal ricercatore post-dottorato del Wang Lab, Linshan Zhu, insieme a Wang, il professore assistente di ricerca Longwei Liu e i loro collaboratori, è stato pubblicato su ACS Nano .
La terapia con cellule T CAR è un trattamento rivoluzionario contro il cancro in cui le cellule T, un tipo di globuli bianchi, vengono rimosse da un paziente e dotate dell’esclusivo recettore dell’antigene chimerico (CAR). Il CAR si lega agli antigeni associati alle cellule tumorali, ordinando alle cellule T di distruggere le cellule dei tumori.
L’ultimo lavoro del Wang Lab è un monocorpo ingegnerizzato per le cellule T CAR che il team ha etichettato come PDbody, che si lega alla molecola di difesa della proteina PD-L1 su una cellula tumorale, consentendo alla CAR di riconoscere la cellula tumorale e bloccarne le difese .
“Immagina che la CAR sia una vera macchina. Hai il motore e il gas. Ma hai anche un freno. In sostanza, il motore e il gas spingono la CAR T ad andare avanti e uccidere il tumore. Ma il PD-L1 funziona come il freno che lo ferma”, ha detto Wang.
In questo lavoro, Zhu, Liu, Wang e il team hanno progettato le cellule T per bloccare questo meccanismo inibitorio di “freno” e convertire la molecola “freno” PD-L1 in un bersaglio mortale.
“Questa molecola chimerica PDbody-CAR può guidare il CAR T che abbiamo progettato per iniziare ad attaccare, riconoscere ed eliminare i tumori. Allo stesso tempo, bloccherà e impedirà alla cellula tumorale di fermare l’attacco del CAR-T. In questo modo , la nostra CAR T sarà più potente”, ha detto Wang.
La terapia con cellule CAR T è più efficace nei tumori “liquidi” come la leucemia. Una sfida per i ricercatori è stata quella di sviluppare cellule T CAR avanzate in grado di distinguere le cellule cancerose da quelle sane.
Il laboratorio Wang sta esplorando modi per sfruttare la tecnologia in modo mirato per i tumori in modo che le cellule T CAR si attivino nel sito del tumore senza incidere sui tessuti sani.
In questo lavoro, il team si è concentrato su una forma molto invasiva di cancro al seno che esprime la proteina PD-L1. Tuttavia, il PD-L1 è espresso anche da altri tipi di cellule. Pertanto, i ricercatori hanno esaminato il microambiente unico di un tumore, ovvero le cellule e le matrici che circondano immediatamente il tumore, per garantire che il loro corpo PD ingegnerizzato si legasse in modo più specifico alle cellule dei tumori.
“Sappiamo che il pH è relativamente basso nel microambiente tumorale: è un po’ acido”, ha detto Zhu. “Quindi, volevamo che il nostro corpo PD avesse una migliore capacità di legame in un microambiente acido, che aiuterà il nostro corpo PD a distinguere le cellule tumorali dalle altre cellule circostanti.”
Per migliorare la precisione del trattamento, il team ha sfruttato un sistema genetico “gate” chiamato SynNotch che garantisce che le cellule T CAR del PDbody attacchino solo le cellule tumorali che esprimono un’altra proteina nota come CD19, riducendo il rischio di danneggiare le cellule sane.
“In termini semplici, le cellule T verranno attivate solo nel sito del tumore a causa di questo sistema di gating SynNotch”, ha detto Zhu. “Non solo il pH è più acido, ma anche la superficie della cellula tumorale determinerà se la cellula T verrà attivata, dandoci due strati di controllo.
Zhu ha affermato che il team ha utilizzato un modello murino, con i risultati che mostrano che il sistema di gate SynNotch ha guidato le cellule T CAR del PDbody ad attivarsi solo nel sito dei tumori, uccidendo le cellule tumorali rimanendo al sicuro per le altre parti dell’animale.
Il team ha sfruttato il calcolo e ha tratto ispirazione dal processo di evoluzione per creare il proprio corpo PD specializzato. L’evoluzione diretta è un processo utilizzato nell’ingegneria biomedica per imitare il processo di selezione naturale in un ambiente di laboratorio.
I ricercatori hanno creato una piattaforma di evoluzione diretta con una gigantesca libreria di iterazioni della loro proteina ingegnerizzata per scoprire quale versione potrebbe essere più efficace.
“Avevamo bisogno di creare qualcosa per riconoscere il PD-L1 sulla superficie dei tumori”, ha detto Wang.
“Utilizzando l’evoluzione diretta, abbiamo analizzato un gran numero di diverse mutazioni monocorpo per selezionare quale si legherà al PD-L1. Quella selezionata ha queste caratteristiche che non solo possono riconoscere il tumore PD-L1 ma possono bloccare il meccanismo di freno che il PD -L1 deve quindi guidare le cellule CAR T sulla superficie del tumore per attaccare e uccidere le cellule dei tumori.”
“Immagina se volessi trovare un pesce molto specifico nell’oceano: sarebbe davvero difficile”, ha detto Liu. “Ma ora, con la piattaforma di evoluzione diretta che abbiamo sviluppato, abbiamo un modo per ripescare queste proteine specifiche con la funzione desiderata.”
Il gruppo di ricerca sta ora esaminando come ottimizzare ulteriormente le proteine per creare cellule T CAR ancora più precise ed efficaci prima di avvicinarsi alle applicazioni cliniche. Ciò includerebbe anche l’integrazione delle proteine con le applicazioni rivoluzionarie degli ultrasuoni focalizzati del Wang Lab per controllare a distanza le cellule T CAR in modo che si attivino solo nei siti dei tumori.
“Ora abbiamo tutti questi strumenti genetici per manipolare, controllare e programmare le cellule immunitarie affinché abbiano così tanto potere e funzione”, ha detto Wang. “Speriamo di creare nuovi modi per guidare la loro funzione per trattamenti di tumori solidi particolarmente complicati”.
Progettate le cellule per colpire meglio i tumori
Nell’immunoterapia cellulare, un trattamento in fase di studio per il cancro, le cellule immunitarie del corpo vengono modificate per eliminare le cellule tumorali in modo più efficace.
Le cellule immunitarie possono uccidere da sole le cellule dei tumori, ma hanno qualche difficoltà a riconoscere la sostanza prodotta dai tumori che fornisce informazioni su quali cellule colpire.
I ricercatori della Penn State hanno sviluppato una nuova tecnologia che promuove queste interazioni tra le cellule immunitarie e quelle dei tumori. Hanno pubblicato i loro risultati nell’edizione internazionale Angewandte Chemie .
“Abbiamo esplorato un nuovo metodo per progettare cellule killer naturali “, ha affermato Yong Wang, professore di ingegneria biomedica. “Questa tecnica ha migliorato significativamente il riconoscimento e l’uccisione delle cellule tumorali bersaglio.”
Il team ha sintetizzato strutture artificiali che potrebbero legarsi alle cellule immunitarie del corpo . Chiamate imitazioni di anticorpi polivalenti (PAM), queste strutture polimeriche sono costituite da un’impalcatura di DNA con molti rami. Ciascun ramo termina con una molecola in grado di identificare i marcatori tumorali sulla superficie delle cellule dei tumori.
Programmando le cellule CAR T in modo che si accendessero quando esposte alla luce blu, i ricercatori hanno controllato le cellule per distruggere i tumori della pelle nei topi senza danneggiare i tessuti sani.
I PAM si sono formati su globuli bianchi adattati per uccidere le cellule infettate dal virus e le cellule tumorali. I ricercatori hanno scoperto che il PAM, rispetto a una struttura simile priva di unità ramificate, ha notevolmente migliorato la capacità dei globuli bianchi di riconoscere le cellule tumorali.
Oltre a consentire un più facile targeting delle cellule tumorali, i PAM hanno anche reso le cellule immunitarie killer più efficienti: le cellule immunitarie potenziate da PAM erano più di 2,5 volte più efficaci delle loro controparti naturali.
Il nuovo metodo è più economico delle tecniche convenzionali di ingegneria genetica per preparare trattamenti basati sulle cellule, ha detto Wang, e può essere completato in poche ore, cosa impossibile per l’ingegneria genetica. Secondo Wang, questo nuovo metodo può tuttavia essere combinato con il metodo convenzionale per ridurre al minimo tali ostacoli.
“La maggiore efficienza delle cellule immunitarie progettate con PAM ridurrà le dosi di cellule necessarie per l’immunoterapia, diminuendo così ulteriormente i tempi e i costi di produzione”, ha affermato Wang.
Secondo Wang, la struttura PAM potrebbe essere applicata anche ad altre cellule per l’immunoterapia, aprendo la porta a ulteriori ricerche per migliorare l’efficacia dei trattamenti.
Il controllo delle cellule T CAR con la luce distrugge selettivamente i tumori
I bioingegneri dell’Università della California a San Diego hanno sviluppato un sistema di controllo che potrebbe rendere la terapia con cellule T CAR più sicura e più potente nel trattamento dei tumori.
Programmando le cellule CAR T in modo che si accendessero quando esposte alla luce blu, i ricercatori hanno controllato le cellule per distruggere i tumori della pelle nei topi senza danneggiare i tessuti sani.
Nei test sui topi, la somministrazione di cellule T CAR ingegnerizzate e la stimolazione dei siti tumorali della pelle con luce LED blu hanno ridotto le dimensioni del tumore da otto a nove volte. I risultati sono stati osservati in nove topi su dieci testati. Le cellule T CAR ingegnerizzate da sole non hanno inibito la crescita dei tumori.
Il lavoro è stato pubblicato il 19 febbraio su Science Advances .
La terapia con cellule T con recettore dell’antigene chimerico (CAR) è un nuovo approccio promettente per il trattamento dei tumori. Si tratta di raccogliere le cellule T di un paziente e di ingegnerizzarle geneticamente per esprimere recettori speciali sulla loro superficie in grado di riconoscere un antigene sulle cellule tumorali mirate.
Le cellule T ingegnerizzate vengono quindi reinfuse nel paziente per trovare e attaccare le cellule che hanno l’antigene bersaglio sulla loro superficie.
Sebbene questo approccio abbia funzionato bene per alcuni tipi di tumori. del sangue e linfoma, finora non ha funzionato bene contro i tumori solidi. Uno dei motivi è perché molti antigeni tumorali mirati sono espressi anche su cellule sane.
“È molto difficile identificare un antigene ideale per i tumori solidi con elevata specificità in modo che le cellule T CAR colpiscano solo questi siti tumorali malati senza attaccare organi e tessuti normali”, ha affermato Peter Yingxiao Wang, professore di bioingegneria presso l’UC San Diego Jacobs. School of Engineering e autore senior dello studio.
“Pertanto, c’è una grande necessità di progettare cellule CAR T che possano essere controllate con elevata precisione nello spazio e nel tempo”.
Per creare tali cellule, Wang e il suo team hanno installato un interruttore che consentirebbe loro di attivare le cellule T CAR in un sito specifico del corpo. L’interruttore utilizza due proteine ingegnerizzate situate all’interno delle cellule CAR T che si legano quando esposte a impulsi di luce blu di un secondo . Una volta legate insieme, le proteine innescano l’espressione del recettore che mira all’antigene.
Poiché la luce non può penetrare in profondità nel corpo, Wang prevede che questo approccio potrebbe essere utilizzato per trattare i tumori solidi vicino alla superficie della pelle. Per studi futuri, Wang sta cercando di collaborare con i medici per testare l’approccio su pazienti affetti da melanoma.
