Het 'schild' van een tumor veranderen in een wapen tegen de tumor zelf

Volgens Peter Insio Wang zijn tumorcellen "sluw". Ze hebben sinistere manieren om de menselijke immuunreacties te ontwijken die deze kankerachtige indringers bestrijden. Tumorcellen produceren PD-L1-moleculen (Programmed Death-Ligand 1), die fungeren als een beschermend schild dat onze immuuncellen onderdrukt en zo een obstakel vormt voor gerichte kankerimmunotherapieën.

Wang, de Alfred E. Mann-leerstoel voor biomedische technologie en houder van de Dwight C. en Hildagard E. Baum-leerstoel voor biomedische technologie, leidt een laboratorium dat zich toelegt op baanbrekend onderzoek naar geconstrueerde immuuntherapieën die het menselijke immuunsysteem benutten om een toekomstig arsenaal te creëren in de strijd tegen kanker.

Onderzoekers in het laboratorium van Wang hebben een nieuwe aanpak ontwikkeld waarmee ze de sluwe verdedigingsmechanismen van een tumorcel tegen zichzelf inzetten. Zo worden deze 'schildmoleculen' doelwitten voor de in het laboratorium van Wang ontwikkelde chimere antigeenreceptor (CAR) T-cellen, die geprogrammeerd zijn om kanker aan te vallen.

Het werk, uitgevoerd door Wang's lab postdoctoraal onderzoeker Lingshan Zhu, samen met Wang, onderzoeker Longwei Liu en hun co-auteurs, werd gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano.

CAR T-celtherapie is een revolutionaire kankerbehandeling waarbij T-cellen, een type witte bloedcellen, uit een patiënt worden verwijderd en voorzien worden van een unieke chimere antigeenreceptor (CAR). De CAR bindt zich aan antigenen die geassocieerd zijn met kankercellen, waardoor de T-cellen de kankercellen gaan doden.

Het nieuwste werk uit het laboratorium van Wang is een ontworpen monobody voor CAR T-cellen, die het team PDbody noemt. Deze bindt zich aan het PD-L1-eiwit op een kankercel, waardoor de CAR de tumorcel kan herkennen en de verdediging ervan kan blokkeren.

"Stel je CAR voor als een echte auto. Je hebt een motor en benzine. Maar je hebt ook een rem. In wezen duwen de motor en benzine CAR T vooruit en doden de tumor. Maar PD-L1 fungeert als een rem die hem stopt," zei Wang.

In dit werk hebben Zhu, Liu, Wang en hun team T-cellen zodanig gemanipuleerd dat ze dit remmende "rem"-mechanisme blokkeren en het PD-L1-molecuul tot een doelwit voor vernietiging maken.

"Dit chimere PDbody-CAR-molecuul kan onze CAR T-cellen aanzetten tot het aanvallen, herkennen en doden van de tumor. Tegelijkertijd blokkeert en voorkomt het dat de tumorcel de aanval van de CAR T-cel stopt. Op deze manier worden onze CAR T-cellen krachtiger", aldus Wang.

CAR T-celtherapie is het meest effectief tegen 'natte' kankers zoals leukemie. De uitdaging voor onderzoekers was om geavanceerde CAR T-cellen te ontwikkelen die onderscheid kunnen maken tussen kankercellen en gezonde cellen.

In het laboratorium van Wang wordt onderzocht hoe de technologie op tumoren kan worden toegepast, zodat CAR T-cellen ter plaatse van de tumor worden geactiveerd zonder dat gezond weefsel wordt aangetast.

In dit onderzoek richtte het team zich op een zeer invasieve vorm van borstkanker die het eiwit PD-L1 tot expressie brengt. PD-L1 wordt echter ook door andere celtypen tot expressie gebracht. Daarom keken de onderzoekers naar de unieke tumormicro-omgeving – de cellen en matrices direct rondom de tumor – om ervoor te zorgen dat hun ontworpen PD-body zich specifieker aan kankercellen zou binden.

"We weten dat de pH in de tumormicro-omgeving relatief laag is – een beetje zuur", aldus Zhu. "Daarom wilden we dat ons PDbody zich beter zou kunnen binden in een zure micro-omgeving, zodat ons PDbody tumorcellen beter zou kunnen onderscheiden van andere omliggende cellen."

Om de precisie van de behandeling te verbeteren, gebruikte het team een genetisch 'poortsysteem' genaamd SynNotch. Dit systeem zorgt ervoor dat CAR T-cellen met PDbody alleen kankercellen aanvallen die een ander eiwit produceren, namelijk CD19. Zo wordt het risico op schade aan gezonde cellen verkleind.

"Simpel gezegd worden T-cellen alleen geactiveerd op de tumorlocatie dankzij dit SynNotch-gatesysteem", aldus Zhu. "Niet alleen is de pH zuurder, maar het oppervlak van de tumorcel bepaalt ook of de T-cel wordt geactiveerd, waardoor we twee controleniveaus hebben."

Zhu merkte op dat het team een muizenmodel gebruikte en dat de resultaten lieten zien dat het SynNotch-poortsysteem CAR T-cellen met PDbody aanstuurt om alleen op de tumorplek te worden geactiveerd. Hierdoor worden tumorcellen gedood, maar blijft het veilig voor andere delen van het dier.

Een door evolutie geïnspireerd proces om PDbody te creëren

Het team gebruikte computationele methoden en liet zich inspireren door het evolutieproces om hun gespecialiseerde PD-lichamen te creëren. Gerichte evolutie is een proces dat in de biomedische technologie wordt gebruikt om het proces van natuurlijke selectie in een laboratoriumomgeving na te bootsen.

De onderzoekers creëerden een platform voor gerichte evolutie met een gigantische bibliotheek aan iteraties van hun ontworpen proteïne om erachter te komen welke versie het meest effectief zou kunnen zijn.

"We moesten iets creëren dat PD-L1 op het oppervlak van de tumor zou herkennen", aldus Wang.

Met behulp van gerichte evolutie hebben we een groot aantal verschillende monobodymutaties geselecteerd om te bepalen welke zich aan PD-L1 zou binden. De geselecteerde versie beschikt over de eigenschappen dat hij niet alleen tumor-PD-L1 kan herkennen, maar ook het remmechanisme ervan kan blokkeren en vervolgens de CAR T-cel naar het oppervlak van de tumor kan sturen om de tumorcellen aan te vallen en te doden.

"Stel je voor dat je een heel specifieke vis in de oceaan zou willen vinden – dat zou echt heel lastig zijn," zei Liu. "Maar nu, met het platform voor gerichte evolutie dat we hebben ontwikkeld, hebben we een manier om deze specifieke eiwitten met de juiste functie eruit te vissen."

Het onderzoeksteam onderzoekt nu hoe de eiwitten geoptimaliseerd kunnen worden om nog nauwkeurigere en effectievere CAR T-cellen te creëren voordat ze in klinische toepassingen worden toegepast. Dit omvat ook de integratie van de eiwitten met de baanbrekende toepassingen van Wangs lab op het gebied van gefocusseerde ultrasone technologie om CAR T-cellen op afstand te besturen, zodat ze alleen op tumorlocaties worden geactiveerd.

"We beschikken nu over al deze genetische hulpmiddelen om deze immuuncellen te manipuleren, controleren en programmeren, zodat ze zoveel kracht en functionaliteit krijgen", aldus Wang. "We hopen nieuwe manieren te creëren om hun functie te sturen voor bijzonder uitdagende behandelingen van solide tumoren."