הפיכת "מגן" הגידול לנשק נגד הגידול עצמו

לדברי פיטר אינסיו וואנג, תאי גידול הם "ערמומיים". יש להם דרכים מרושעות להתחמק מתגובות החיסון האנושיות הנלחמות בפולשים סרטניים אלה. תאי גידול מבטאים מולקולות ליגנד מוות מתוכנת 1 (PD-L1), הפועלות כמגן מגן המדכא את תאי החיסון שלנו, ויוצרות מכשול בפני טיפולים אימונותרפיים ממוקדים לסרטן.

וואנג, הקתדרה ע"ש אלפרד א. מאן להנדסה ביו-רפואית ובעל הקתדרה ע"ש דווייט סי. והילדגרד א. באום להנדסה ביו-רפואית, מוביל מעבדה המוקדשת למחקר חלוצי בתחום האימונותרפיות הנדסיות הרותמות את מערכת החיסון האנושית ליצירת ארסנל עתידי במאבק בסרטן.

חוקרים במעבדה של וואנג פיתחו גישה חדשה שהופכת את מנגנוני ההגנה הערמומיים של תאי גידול נגד עצמם, והופכת את מולקולות ה"מגן" הללו למטרות עבור תאי T מסוג קולטן אנטיגן כימרי (CAR) שפותחו במעבדה על ידי וואנג ומתוכנתים לתקוף סרטן.

העבודה, שנעשתה על ידי עמית הפוסט-דוקטורט של וואנג, לינגשאן ג'ו, יחד עם וואנג, מדען המחקר לונגווי ליו ושותפיהם למחקר, פורסמה בכתב העת ACS Nano.

טיפול בתאי T מסוג CAR הוא טיפול מהפכני בסרטן שבו תאי T, סוג של תאי דם לבנים, מוסרים מהמטופל ומקבלים להם קולטן אנטיגן כימרי ייחודי (CAR). ה-CAR נקשר לאנטיגנים הקשורים לתאי סרטן, ומכוון את תאי ה-T להרוג את תאי הסרטן.

העבודה האחרונה ממעבדתו של וואנג היא מונובדי מעוצב עבור תאי T CAR, אותו מכנה הצוות PDbody, אשר נקשר לחלבון PD-L1 על גבי תא סרטני, ומאפשר ל-CAR לזהות את תא הגידול ולחסום את הגנותיו.

"תחשבו על CAR כמכונית אמיתית. יש לכם מנוע ודלק. אבל יש לכם גם בלם. בעיקרון, המנוע והדלק דוחפים את CAR T לנוע קדימה ולהרוג את הגידול. אבל PD-L1 פועל כבלם שעוצר אותו", אמר וואנג.

בעבודה זו, ג'ו, ליו, וואנג וצוותם הנדסו תאי T כדי לחסום את מנגנון ה"בלימה" המעכב הזה ולהפוך את מולקולת PD-L1 למטרה להשמדה.

"מולקולת PDbody-CAR הכימרית הזו יכולה לגרום לתאי ה-CAR T שלנו לתקוף, לזהות ולהרוג את הגידול. במקביל, היא תחסום ותמנע מתא הגידול לעצור את התקפת תא ה-CAR T. בדרך זו, תאי ה-CAR T שלנו יהיו חזקים יותר", אמר וואנג.

טיפול בתאי T מסוג CAR יעיל ביותר כנגד סוגי סרטן "רטובים" כמו לוקמיה. האתגר עבור חוקרים היה לפתח תאי T מסוג CAR מתקדמים שיכולים להבדיל בין תאים סרטניים לתאים בריאים.

המעבדה של וואנג בוחנת דרכים למקד את הטכנולוגיה לגידולים כך שתאי CAR T יופעלו באתר הגידול מבלי לפגוע ברקמה בריאה.

בעבודה זו, הצוות התמקד בצורה פולשנית ביותר של סרטן השד המבטאת את החלבון PD-L1. עם זאת, PD-L1 מתבטא גם על ידי סוגים אחרים של תאים. לכן, החוקרים בחנו את המיקרו-סביבה הייחודית של הגידול - התאים והמטריצות המקיפות את הגידול באופן מיידי - כדי להבטיח שגוף ה-PD שתוכנן שלהם יקשר בצורה ספציפית יותר לתאי הסרטן.

"אנו יודעים שרמת החומציות (pH) בסביבת המיקרו של הגידול נמוכה יחסית - היא מעט חומצית", אמר ג'ו. "לכן רצינו שלגוף ה-PD שלנו תהיה יכולת קישור טובה יותר בסביבה חומצית, מה שיעזור לגוף ה-PD שלנו להבחין בין תאי הגידול לתאים אחרים בסביבה."

כדי לשפר את דיוק הטיפול, הצוות השתמש במערכת "שער" גנטית בשם SynNotch, אשר מבטיחה שתאי CAR T עם PDbody תוקפים רק תאי סרטן המבטאים חלבון שונה המכונה CD19, ובכך מפחיתים את הסיכון לפגיעה בתאים בריאים.

"במילים פשוטות, תאי T יופעלו רק באתר הגידול הודות למערכת שער SynNotch הזו", אמר ג'ו. "לא רק שרמת החומציות (pH) חומצית יותר, אלא שפני תא הגידול יקבעו האם תא ה-T יופעל, מה שיעניק לנו שתי רמות של שליטה."

ג'ו ציין כי הצוות השתמש במודל עכבר, והתוצאות הראו שמערכת ה-SynNotch מכוונת תאי CAR T עם PDbody להפעלה רק באתר הגידול, מה שהורג תאי גידול תוך שמירה על בטיחותם עבור חלקים אחרים של החיה.

תהליך בהשראת אבולוציה ליצירת PDbody

הצוות השתמש בשיטות חישוביות ולקח השראה מתהליך האבולוציה כדי ליצור את גופי ה-PDBodie הייעודיים שלהם. אבולוציה מכוונת היא תהליך המשמש בהנדסה ביו-רפואית לחיקוי תהליך הברירה הטבעית במעבדה.

החוקרים יצרו פלטפורמת אבולוציה מכוונת עם ספרייה ענקית של איטרציות של החלבון שתוכנן כדי לגלות איזו גרסה עשויה להיות היעילה ביותר.

"היינו צריכים ליצור משהו שיזהה את PD-L1 על פני הגידול", אמר וואנג.

"באמצעות אבולוציה מכוונת, בחרנו מספר רב של מוטציות מונובודיות שונות כדי לבחור איזו מהן תיקשר ל-PD-L1. לגרסה שנבחרה יש תכונות שיכולות לא רק לזהות את PD-L1 של הגידול, אלא גם לחסום את מנגנון הבלימה שיש לו, ולאחר מכן לכוון את תא ה-CAR T אל פני השטח של הגידול כדי לתקוף ולהרוג את תאי הגידול."

"תארו לעצמכם שאתם רוצים למצוא דג ספציפי מאוד באוקיינוס – זה יהיה ממש קשה", אמר ליו. "אבל עכשיו, עם פלטפורמת האבולוציה המכוונת שפיתחנו, יש לנו דרך לדוג את החלבונים הספציפיים האלה עם הפונקציה הנכונה."

צוות המחקר בוחן כעת כיצד לייעל את החלבונים כדי ליצור תאי CAR T מדויקים ויעילים אף יותר לפני המעבר ליישומים קליניים. זה כולל גם שילוב החלבונים עם יישומי האולטרסאונד הממוקדים פורצי הדרך של מעבדתו של וואנג כדי לשלוט מרחוק בתאי CAR T כך שיופעלו רק באתרי גידול.

"כעת יש לנו את כל הכלים הגנטיים הללו כדי לתמרן, לשלוט ולתכנת את תאי החיסון הללו כדי שיהיו להם כל כך הרבה כוח ותפקוד", אמר וואנג. "אנו מקווים ליצור דרכים חדשות לכוון את תפקודם עבור טיפולים מאתגרים במיוחד בגידולים מוצקים."