เปลี่ยน “โล่” ของเนื้องอกให้กลายเป็นอาวุธต่อสู้กับเนื้องอก

Peter Insio Wang กล่าวว่าเซลล์เนื้องอกเป็นเซลล์ที่ “ฉลาดแกมโกง” เซลล์เหล่านี้มีวิธีการอันชั่วร้ายในการหลบเลี่ยงการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันของมนุษย์ที่ต่อสู้กับผู้บุกรุกที่เป็นมะเร็งเหล่านี้ เซลล์เนื้องอกสร้างโมเลกุลโปรแกรมเมดเดธลิแกนด์ 1 (PD-L1) ซึ่งทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันที่กดเซลล์ภูมิคุ้มกันของเรา ทำให้เซลล์เหล่านี้กลายเป็นอุปสรรคต่อการบำบัด มะเร็งแบบกำหนด เป้าหมาย

หวาง ผู้ดำรงตำแหน่ง Alfred E. Mann Chair in Biomedical Engineering และผู้ดำรงตำแหน่ง Dwight C. and Hildagard E. Baum Chair in Biomedical Engineering เป็นผู้นำห้องปฏิบัติการที่มุ่งเน้นการบุกเบิกการวิจัยเกี่ยวกับภูมิคุ้มกันบำบัดทางวิศวกรรมที่ใช้ประโยชน์จากระบบภูมิคุ้มกันของมนุษย์เพื่อสร้างคลังอาวุธในอนาคตสำหรับการต่อสู้กับโรคมะเร็ง

นักวิจัยในห้องทดลองของหวังได้พัฒนาวิธีการใหม่ซึ่งจะเปลี่ยนกลไกการป้องกันอันแสนร้ายกาจของเซลล์เนื้องอกให้ต่อต้านตัวเอง โดยเปลี่ยนโมเลกุล "เกราะป้องกัน" เหล่านี้ให้กลายเป็นเป้าหมายสำหรับเซลล์ T ของตัวรับแอนติเจนไคเมอริก (CAR) ที่ห้องทดลองของหวังออกแบบขึ้น ซึ่งได้รับการตั้งโปรแกรมให้โจมตีมะเร็ง

งานวิจัยซึ่งดำเนินการโดย Lingshan Zhu นักวิจัยหลังปริญญาเอกในห้องปฏิบัติการของ Wang ร่วมกับ Wang นักวิทยาศาสตร์วิจัย Longwei Liu และผู้เขียนร่วม ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร ACS Nano

การบำบัดด้วยเซลล์ T ของ CAR เป็นการรักษามะเร็งแบบใหม่ โดยเซลล์ T ซึ่งเป็นเซลล์เม็ดเลือดขาวชนิดหนึ่ง จะถูกแยกออกจากตัวผู้ป่วย แล้วให้ตัวรับแอนติเจนไคเมอริก (CAR) เฉพาะตัวเข้าไป CAR จะจับกับแอนติเจนที่เกี่ยวข้องกับเซลล์มะเร็ง โดยสั่งให้เซลล์ T ฆ่าเซลล์มะเร็ง

ผลงานล่าสุดจากห้องปฏิบัติการของ Wang คือการออกแบบโมโนบอดีสำหรับเซลล์ CAR T ซึ่งทีมเรียกว่า PDbody ซึ่งจะจับกับโปรตีน PD-L1 บนเซลล์มะเร็ง ช่วยให้ CAR จดจำเซลล์เนื้องอกและปิดกั้นการป้องกันของเซลล์ได้

“ลองนึกถึง CAR เป็นรถยนต์จริงๆ คุณมีเครื่องยนต์และน้ำมัน แต่คุณยังมีเบรกด้วย โดยพื้นฐานแล้ว เครื่องยนต์และน้ำมันจะผลักดันให้ CAR T เคลื่อนที่ไปข้างหน้าและทำลายเนื้องอก แต่ PD-L1 ทำหน้าที่เป็นเบรกที่หยุดเนื้องอก” หวังกล่าว

ในงานนี้ Zhu, Liu, Wang และทีมงานได้ออกแบบวิศวกรรมเซลล์ T เพื่อบล็อกกลไก "เบรก" ที่ยับยั้งนี้ และทำให้โมเลกุล PD-L1 เป็นเป้าหมายในการทำลาย

"โมเลกุล PDbody-CAR แบบไคเมอริกนี้สามารถทำให้เซลล์ CAR T ของเราโจมตี จดจำ และฆ่าเนื้องอกได้ ในเวลาเดียวกัน มันจะปิดกั้นและป้องกันไม่ให้เซลล์เนื้องอกหยุดการโจมตีของเซลล์ CAR T ด้วยวิธีนี้ เซลล์ CAR T ของเราจะมีพลังมากขึ้น" หวังกล่าว

การบำบัดด้วยเซลล์ CAR T มีประสิทธิภาพสูงสุดต่อมะเร็งชนิด "เปียก" เช่นมะเร็งเม็ดเลือดขาวความท้าทายสำหรับนักวิจัยคือการพัฒนาเซลล์ CAR T ขั้นสูงที่สามารถแยกความแตกต่างระหว่างมะเร็งและเซลล์ปกติได้

ห้องทดลองของ Wang กำลังสำรวจวิธีในการกำหนดเป้าหมายเทคโนโลยีไปที่เนื้องอก เพื่อให้เซลล์ CAR T ถูกกระตุ้นที่บริเวณเนื้องอกโดยไม่ส่งผลกระทบต่อเนื้อเยื่อที่แข็งแรง

ในงานวิจัยนี้ ทีมวิจัยมุ่งเน้นไปที่มะเร็งเต้านม ชนิดรุกราน ซึ่งแสดงออกถึงโปรตีน PD-L1 อย่างไรก็ตาม PD-L1 ยังแสดงออกโดยเซลล์ประเภทอื่นด้วย ดังนั้น นักวิจัยจึงพิจารณาไมโครเอ็นไวรอนเมนต์ของเนื้องอกเฉพาะตัว ซึ่งก็คือเซลล์และเมทริกซ์ที่อยู่รอบๆ เนื้องอกโดยตรง เพื่อให้แน่ใจว่า PDbody ที่ออกแบบขึ้นจะจับกับเซลล์มะเร็งได้เฉพาะเจาะจงมากขึ้น

“เราทราบดีว่าค่า pH ในสภาพแวดล้อมจุลภาคของเนื้องอกนั้นค่อนข้างต่ำ โดยมีความเป็นกรดเล็กน้อย” จูกล่าว “ดังนั้น เราจึงต้องการให้ PDbody ของเรามีความสามารถในการจับที่ดีขึ้นในสภาพแวดล้อมจุลภาคที่เป็นกรด ซึ่งจะช่วยให้ PDbody ของเราแยกแยะเซลล์เนื้องอกออกจากเซลล์อื่นๆ ที่อยู่รอบข้างได้”

เพื่อปรับปรุงความแม่นยำของการรักษา ทีมงานได้ใช้ระบบ "ประตู" ทางพันธุกรรมที่เรียกว่า SynNotch ซึ่งรับรองว่าเซลล์ CAR T ที่มี PDbody จะโจมตีเฉพาะเซลล์มะเร็งที่แสดงโปรตีนชนิดอื่นที่เรียกว่า CD19 เท่านั้น ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงที่จะทำลายเซลล์ที่แข็งแรง

Zhu กล่าวว่า "พูดอย่างง่ายๆ ก็คือ เซลล์ T จะถูกกระตุ้นที่บริเวณเนื้องอกเท่านั้น โดยอาศัยระบบประตู SynNotch นี้" "ไม่เพียงแต่ค่า pH จะเป็นกรดมากขึ้นเท่านั้น แต่พื้นผิวเซลล์เนื้องอกยังกำหนดด้วยว่าเซลล์ T จะถูกกระตุ้นหรือไม่ ซึ่งทำให้เรามีระดับการควบคุมสองระดับ"

Zhu กล่าวว่าทีมงานได้ใช้เมาส์เป็นแบบจำลอง และผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าระบบการควบคุม SynNotch จะสั่งให้เซลล์ CAR T ที่มี PDbody กระตุ้นเฉพาะที่บริเวณเนื้องอกเท่านั้น โดยจะฆ่าเซลล์เนื้องอกในขณะที่ยังคงปลอดภัยสำหรับส่วนอื่นๆ ของสัตว์

กระบวนการที่ได้รับแรงบันดาลใจจากวิวัฒนาการเพื่อสร้าง PDbody

ทีมได้ใช้การคำนวณแบบเชิงลึกและได้รับแรงบันดาลใจจากกระบวนการวิวัฒนาการเพื่อสร้าง PDbodies เฉพาะทางของพวกเขา วิวัฒนาการแบบมีทิศทางคือกระบวนการที่ใช้ในวิศวกรรมชีวการแพทย์เพื่อเลียนแบบกระบวนการคัดเลือกตามธรรมชาติในห้องปฏิบัติการ

นักวิจัยได้สร้างแพลตฟอร์มวิวัฒนาการแบบกำหนดเป้าหมายพร้อมคลังข้อมูลขนาดใหญ่ของโปรตีนที่พวกเขาออกแบบขึ้นเพื่อค้นหาเวอร์ชันที่อาจมีประสิทธิผลมากที่สุด

“เราจำเป็นต้องสร้างบางสิ่งบางอย่างที่สามารถจดจำ PD-L1 บนพื้นผิวของเนื้องอก” หวังกล่าว

"ด้วยการใช้วิวัฒนาการแบบกำหนดทิศทาง เราคัดเลือกการกลายพันธุ์แบบโมโนบอดีที่แตกต่างกันจำนวนมากเพื่อคัดเลือกว่าตัวใดจะเข้าจับกับ PD-L1 เวอร์ชันที่เลือกมีคุณสมบัติเหล่านี้ที่ไม่เพียงแต่สามารถจดจำ PD-L1 ของเนื้องอกได้เท่านั้น แต่ยังสามารถบล็อกกลไกการเบรกที่มีอยู่ได้อีกด้วย จากนั้นจึงส่งเซลล์ CAR T ไปที่พื้นผิวของเนื้องอกเพื่อโจมตีและฆ่าเซลล์เนื้องอก"

“ลองนึกดูว่าหากคุณต้องการค้นหาปลาเฉพาะเจาะจงในมหาสมุทร นั่นคงเป็นเรื่องยากมาก” หลิวกล่าว “แต่ตอนนี้ ด้วยแพลตฟอร์มวิวัฒนาการแบบมีทิศทางที่เราพัฒนาขึ้น เราจึงมีวิธีการในการหาโปรตีนเฉพาะเจาะจงเหล่านี้ด้วยฟังก์ชันที่เหมาะสม”

ขณะนี้ทีมวิจัยกำลังศึกษาวิธีการปรับโปรตีนให้เหมาะสมเพื่อสร้างเซลล์ CAR T ที่แม่นยำและมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้นก่อนที่จะนำไปใช้ในทางคลินิก ซึ่งรวมถึงการรวมโปรตีนเข้ากับแอปพลิเคชันอัลตราซาวนด์โฟกัสที่ล้ำสมัยของห้องทดลองของ Wang เพื่อควบคุมเซลล์ CAR T จากระยะไกลเพื่อให้ทำงานเฉพาะที่บริเวณเนื้องอกเท่านั้น

“ตอนนี้เรามีเครื่องมือทางพันธุกรรมมากมายในการจัดการ ควบคุม และตั้งโปรแกรมเซลล์ภูมิคุ้มกันเหล่านี้ให้มีพลังและทำหน้าที่ได้อย่างเต็มที่” หวังกล่าว “เราหวังว่าจะสร้างวิธีใหม่ๆ เพื่อกำหนดหน้าที่ของเซลล์เหล่านี้สำหรับการรักษาเนื้องอกแข็งที่ท้าทายเป็นพิเศษ”