Наша иммунная система создана для защиты организма, распознавая и атакуя инфицированные или аномальные клетки. Однако раковые клетки часто «обманывают» иммунную систему, притворяясь здоровыми клетками, и таким образом отключают механизмы атаки иммунных клеток.
Недавно это ограничение было преодолено благодаря революционному лечению, которое помогает иммунной системе более эффективно бороться с раком. Эта терапия включает извлечение собственных Т-клеток пациента — «часовых» нашей иммунной системы — и их перепрограммирование в лаборатории для лучшего распознавания и уничтожения раковых клеток.
Во время этого процесса Т-клетки активируются (как это происходит в организме, например, во время инфекции) и генетически модифицируются для производства специальных рецепторов на своей поверхности, называемых химерными антигенными рецепторами (CAR), которые распознают и нацеливаются на определённые типы раковых клеток.
После увеличения их количества эти перепрограммированные клетки, теперь называемые CAR T-клетками, вводятся обратно в пациента, где они действуют как высокоточные ракеты, ищущие и уничтожающие раковые клетки, которые естественная иммунная система может не заметить.
Терапия CAR T-клетками считается революцией в лечении рака, предлагая несколько преимуществ по сравнению с традиционной химиотерапией. Она обеспечивает точное нацеливание на определённые типы рака, использует собственные иммунные клетки пациента для персонализированной терапии и продемонстрировала замечательные успехи в лечении таких видов рака крови, как лейкоз и лимфома, которые часто устойчивы к традиционным методам лечения. Однако, несмотря на перспективы, иммунотерапия CAR T-клетками всё ещё сталкивается с проблемами, которые ограничивают её широкое клиническое применение.
Одной из ключевых проблем является то, что Т-клетки часто истощаются во время их перепрограммирования в лаборатории, что приводит к кратковременным эффектам после введения обратно в пациента. Чтобы решить эту проблему, исследователи из Университета Бен-Гуриона в Негеве под руководством профессора Марка Шварцмана (кафедра инженерного материаловедения) и профессора Энджела Поргодара (кафедра иммунологии) изучали, почему Т-клетки остаются активными в организме во время естественных иммунных ответов, но быстро теряют функцию при искусственной активации в лаборатории.
Они предположили, что основное различие заключается в физической природе активирующей среды: в лаборатории Т-клетки обычно стимулируются с помощью жёстких пластиковых шариков, покрытых активирующими молекулами, тогда как в организме Т-клетки стимулируются антиген-несущими, аномальными или инфицированными клетками, которые обычно мягкие и эластичные, со сложными поверхностями, покрытыми нанометровыми выступами, напоминающими крошечные «руки».
Исследователи задались вопросом: могут ли Т-клетки ощущать механические и структурные свойства поверхностей, с которыми они сталкиваются, и может ли это восприятие влиять на силу и продолжительность их активации?
Чтобы исследовать это, они создали искусственные поверхности, покрытые наноструктурами, имитирующими те, что находятся на естественных активирующих клетках. Они обнаружили, что человеческие Т-клетки, взятые из образцов крови и активированные на этих искусственных поверхностях, демонстрировали значительно более сильную и длительную активацию — как если бы они находились в своей естественной среде. Более того, они обнаружили, что силу активации можно точно настроить, регулируя геометрию и жёсткость наноструктур. Эти выводы они опубликовали в нескольких статьях за последние годы.
Воодушевлённые этими результатами, профессор Шварцман и профессор Поргодар поставили перед собой следующую амбициозную цель: разработать искусственные наноструктурированные поверхности, специально оптимизированные для генерации мощных CAR T-клеток с длительной иммунотерапевтической активностью.
Для этого они создали библиотеку поверхностей с систематически изменяемой наногеометрией и эластичностью и оценили их влияние на ряд критериев успеха в ответе Т-клеток, включая активацию, истощение, пролиферацию и перепрограммирование CAR.
«Внезапно, — говорит профессор Поргодар, — мы обнаружили, что нас завалили данными о различных дизайнах поверхностей, критериях успеха, в дополнение к тому факту, что использовались Т-клетки нескольких доноров, у каждого из которых были свои индивидуальные ответы. Это было похоже на многоэтапное соревнование, где мы должны были определить лучшего исполнителя в целом».
Чтобы найти выигрышный дизайн, они сотрудничали со своим коллегой доктором Офиром Коэном, биоинформатиком, который использовал передовой вычислительный анализ для определения наиболее перспективной поверхности на основе совокупных показателей производительности.
Выбранная «чемпионская» наноструктурированная поверхность преподнесла ещё несколько сюрпризов. CAR T-клетки, полученные с её помощью, экспрессировали высокие уровни генов, связанных с длительной противораковой активностью, особенно тех, которые связаны с субпопуляцией, известной как «Т-клетки центральной памяти», которые являются ключом к эффективной иммунотерапии.
Действительно, CAR T-клетки, изготовленные с использованием этой поверхности, содержали значительно больше этих центральных клеток памяти, чем те, которые были изготовлены с использованием обычных пластиковых шариков. Затем исследователи подтвердили свои выводы экспериментально в лаборатории и на моделях мышей.
Их выводы были недавно опубликованы в журнале Advanced Materials.
Параллельно с продолжающейся оптимизацией методов генерации CAR T-клеток исследователи сейчас сосредотачиваются на масштабировании своей технологии и переходе от исследовательской лаборатории к клиническому применению.
«Для производства этих активирующих наноструктур, — объясняет профессор Шварцман, — мы изначально использовали методы нанопроизводства, адаптированные из технологии производства микрочипов. Текущий спрос на всё более мелкие электронные компоненты в микрочипах привёл эту технологию к тому, что структуры практически любого размера — даже на молекулярном уровне — могут быть изготовлены».
«Кроме того, широкий спектр совместимых материалов позволяет производить не только миниатюрные структуры из кремния, как в микрочипах, но и биоактивные материалы, пригодные для интеграции с живыми системами. Однако такие методы дороги и непрактичны для массового производства биомедицинских продуктов».
Поэтому команда разработала экономически эффективные нанотехнологические методы, подходящие для масштабируемого производства клинического уровня, и уже произвела первые прототипы активирующих поверхностей, способных генерировать CAR T-клетки в количестве, достаточном для лечения рака у взрослого человека.
Чтобы подтвердить свою технологию, исследовательская группа в настоящее время сотрудничает с израильской компанией ADVA Bio, которая производит биореакторы для автоматизированного производства CAR T-клеток. В ходе пилотных исследований команда уже изготовила большие наноструктурированные активирующие поверхности, достаточные для производства клинического количества CAR T-клеток, которые сейчас проходят испытания в биореакторах ADVA.
Исследование проводилось под руководством аспиранта Абеда Аль Кадера Ясина и постдокторанта доктора Карлоса Урена Мартина, а также членов нескольких исследовательских групп из БГУ и Университета Пенсильвании.
Предоставлено Университетом Бен-Гуриона в Негеве.