Ученые из Университета Южной Калифорнии (USC) нашли способ производить потенциально возобновляемый запас иммунных клеток, борящихся с раком, что открывает перспективное направление для лечения опухолей. Работая с незрелыми клетками, которые могут развиваться в мощных защитников иммунной системы, исследователи создали систему, способную генерировать большие количества генетически модифицированных клеток, распознающих опухоли и способствующих активации естественных защит организма.
Этот прорыв, описанный в статье, опубликованной в журнале Cell, может помочь преодолеть некоторые из главных препятствий в иммунотерапии рака, включая сложности производства достаточного количества иммунных клеток и поддержания их активности в организме. В опытах на мышах модифицированные клетки заселялись в костный мозг, образовывали новые иммунные клетки и замедляли прогрессирование как кровяных, так и солидных опухолей.
Группа, возглавляемая подразделением USC Stem Cell, сосредоточилась на типе незрелых иммунных клеток, называемых гранулоцит-монопро-гениторами (GMP).
Эти клетки обычно развиваются в макрофаги и другие иммунные клетки, которые защищают организм от инфекций и участвуют в иммунных ответах. Исследователи обнаружили, что GMP можно широко культивировать в лаборатории, при этом они сохраняют способность развиваться в функционирующие иммунные клетки. Их также можно генетически модифицировать так, чтобы они распознавали специфические маркеры рака и усиливали широкий иммунный ответ.
«Исследование устанавливает масштабируемую и пригодную для инженерии платформу GMP для клеточной иммунотерапии и вводит концепции, которые, по нашему мнению, могут иметь широкие последствия как для иммунотерапии рака, так и для биологии стволовых клеток», — сказал отвечающий автор статьи Ци-Лонг Ин, доктор медицины, доктор философии, профессор биологии стволовых клеток и регенеративной медицины в Медицинской школе Кек при USC.
Ученые обнаружили неожиданную способность предшественников иммунных клеток
Помимо потенциальных применений в лечении рака, открытие ставит под вопрос устоявшееся представление о том, как развиваются кроветворные и иммунные клетки.
Стволовые клетки известны своей способностью к самоподдержанию, то есть они могут многократно делиться, сохраняя свои исходные свойства. В системе кроветворения эту способность традиционно приписывают прежде всего гемопоэтическим стволовым клеткам, которые могут давать все основные типы кровяных и иммунных клеток.
Предшественники клеток, напротив, находятся на более поздней стадии развития и уже обязаны производить более ограниченный набор клеток. Считалось, что у них меньше возможностей для долгосрочного самоподдержания.
Исследователи из USC продемонстрировали, что GMP могут сохранять эту способность при тщательно контролируемых лабораторных условиях. Вместо того чтобы быстро созревать в другие типы клеток, предшественники продолжали размножаться, сохраняя свою идентичность и способность порождать функциональные иммунные клетки.
«Распространенное мнение заключалось в том, что долгосрочное самоподдержание в кроветворной системе — это прежде всего свойство гемопоэтических стволовых клеток, способных генерировать любой тип кровяной или иммунной клетки», — сказал Ин. «Мы обнаружили, что при правильных условиях GMP также могут самообновляться, активно делясь и сохраняя свою идентичность и способность производить функциональные иммунные клетки. Это дает нам масштабируемую отправную точку для создания инженерных клеточных терапий при раке, инфекционных заболеваниях и, возможно, многих других состояниях».
Почему макрофаги могут стать мощным оружием против рака
Макрофаги — одни из самых универсальных защитников иммунной системы. Их название происходит от греческих слов, означающих «большие поедатели», что отражает их способность окружать и поглощать бактерии, поврежденные клетки и другие нежелательные материалы.
Они также помогают координировать иммунные ответы, посылая сигналы, которые влияют на поведение других иммунных клеток. Некоторые макрофаги могут проникать в опухоли и атаковать раковые клетки, что делает их привлекательными кандидатами для иммунотерапии рака.
Особенно перспективно применение при солидных опухолях, то есть опухолях, образующих массы в органах и тканях. Существующие методы, основанные на инженерных T-клетках, показали наибольшие успехи при некоторых видах кровяных раков, тогда как лечение солидных опухолей оказалось более сложным.
Макрофаги предлагают иной подход, поскольку они естественно мигрируют в ткани и способны проникать в опухоли. Однако превращение их в практические терапии сталкивается с рядом проблем.
Создание возобновляемого запаса клеток, борющихся с раком
Вместо попыток массово производить зрелые макрофаги первый автор исследования Ши Юэ, доктор медицины, из лаборатории Инга и его коллеги сосредоточились на GMP — предшественниках, которые могут давать макрофагов.
Исследователи разработали точно определенную смесь химических веществ, позволяющую GMP выживать и размножаться длительное время в лаборатории. Смесь предотвращала преждевременное созревание клеток в зрелые иммунные клетки, сохраняя возобновляемую популяцию предшественников.
Даже после обширного расширения в лаборатории GMP сохраняли молекулярные характеристики, которые их определяли. Важно, что они также сохраняли способность развиваться в функциональные макрофаги и другие родственные иммунные клетки по мере необходимости.
Подход делает возможным производство больших количеств инженерных иммунных клеток из исходной популяции, которую можно постоянно расширять, вместо многократного сбора и подготовки зрелых клеток.
Чтобы подтвердить воспроизводимость метода, сотрудники из лаборатории Рави Маджети, доктора медицины, доктора философии, в Стэнфордском университете независимо показали, что GMP можно поддерживать длительное время и генетически модифицировать. Их результаты подтвердили надежность техники и ее потенциальное использование в будущих клеточных терапиях.
Маджети, директор Института биологии стволовых клеток и регенеративной медицины при Стэнфорде, отметил: «Этот метод расширения и инженерии GMP открывает дорогу многочисленным трансляционным приложениям, подобно расширению и инженерии Т-клеток. Мы уже показали возможность инженерии этих клеток для запуска нескольких мощных функций, и предстоит еще многое исследовать».
Инженерия иммунных клеток для распознавания и атаки опухолей
Далее группа изучила, можно ли запрограммировать расширяемые предшественники для борьбы с раком.
Они генетически модифицировали GMP так, чтобы те несли химерный антигенный рецептор (CAR). Этот инженерный рецептор позволяет иммунным клеткам распознавать определенный молекулярный маркер на поверхности раковых клеток, направляя их активность против опухоли.
Технология CAR уже является важной частью иммунотерапии рака, особенно в методах, модифицирующих T-клетки пациента для распознавания и уничтожения раковых клеток. Исследователи из USC изучили, можно ли применить аналогичную стратегию к GMP, чтобы они порождали инженерные макрофаги и другие иммунные клетки.
Ученые также снабдили часть предшественников дополнительным иммунно-активирующим сигналом. Эта модификация была направлена на привлечение и стимуляцию соседних иммунных клеток, включая Т-клетки, которые могут помочь развернуть более мощную атаку на рак.
Дополнительный сигнал дал еще одно важное преимущество: он оставался эффективным даже при несовпадении иммунных характеристик донорских клеток и реципиента.
Это открывает возможность разработки готовых к использованию препаратов, изготовленных заранее из донорских клеток. В отличие от персонализированных клеточных терапий, которые необходимо готовить индивидуально из клеток каждого пациента, такие продукты могли бы производиться партиями и предоставляться нескольким пациентам.
Модифицированные клетки замедляют прогрессирование рака у мышей
После успешного расширения и инженерии GMP как из мышей, так и из людей исследователи проверили их терапевтический потенциал в экспериментах на мышах.
При введении мышам предшественники заселялись в костный мозг и другие участки, ответственные за кроветворение. Эти среды обеспечивали места, где GMP могли порождать дополнительные инженерные макрофаги и родственные иммунные клетки.
Это важное отличие от терапий с зрелыми макрофагами. Вместо того чтобы полагаться только на иммунные клетки, которые могут быстро исчезать, предшественники могли обеспечивать постоянный источник замещающих клеток изнутри организма.
Такая стратегия может помочь преодолеть быструю элиминацию, ограничивавшую эффективность терапий на основе макрофагов, включая подходы, оцененные в недавних клинических испытаниях.
Исследователи проверили инженерные клетки на мышах с кровяными злокачествами и солидными опухолями. GMP, несущие CAR-рецепторы, замедляли прогрессирование заболевания в обоих типах рака.
Эффекты были еще сильнее, когда предшественники несли и CAR-рецепторы, и дополнительный сигнал, предназначенный для активации других иммунных клеток. Такое сочетание улучшало способность терапии стимулировать более широкий антитуморный ответ.
Хотя эти результаты обнадеживают, они остаются доклиническими. Потребуются дальнейшие исследования, чтобы установить, можно ли безопасно и эффективно применять инженерные GMP у людей, особенно если планируется их длительное существование и постоянное производство иммунных клеток.
Потенциальные приложения за пределами лечения рака
Ученые также изучили, может ли их подход помочь при состояниях, связанных с дефектами иммунной защиты.
В отдельном эксперименте на мышах они изучали хроническую гранулематозную болезнь, наследственное заболевание, которое нарушает способность некоторых иммунных клеток уничтожать вредные микроорганизмы. Люди с этим заболеванием особенно восприимчивы к рецидивирующим бактериальным и грибковым инфекциям, поскольку их иммунные клетки не способны эффективно ликвидировать некоторые патогены.
Когда исследователи вводили GMP мышам с этим заболеванием, клетки восстановили способность животных бороться с бактериальной инфекцией.
Этот результат предполагает, что возобновляемые, генетически модифицированные предшественники иммунных клеток в будущем могут найти применение не только при раке, но также при наследственных иммунных дефицитах и потенциально при инфекционных заболеваниях.
По словам исследователей, более важный вывод заключается в том, что стадия развития иммунной клетки может быть столь же важна, как и генетические модификации, используемые для превращения ее в терапию.
Инженеря клетки до их полного созревания, ученые могут создавать терапии, которые легче производить, более адаптируемы и способны поддерживать непрерывный поток специализированных иммунных защитников.
«Наше исследование указывает, что будущее иммунотерапии может зависеть не только от разработки лучших CAR-рецепторов, но и от выбора правильной стадии развития клетки», — сказал Ин.
Статья, опубликованная в журнале Cell, носит название «Expansion and CAR engineering of granulocyte-monocyte progenitors for cellular immunotherapy».
В состав исследовательской команды, помимо Ци-Лонга Ина, Ши Юэ и Рави Маджети, вошли Чжэн Го, Кристал Пан, Сюэюань А. Цзин, Тай Нгуен, Цзяци Тан, Янпуи Чан, Умберто Контрерас-Трухильо, Ду Цзян, Сюэ Ян, Ханг Сян, Сюгэн Лю, Сяо Ван, Зиюань Ван, Натали Шу, Дэниел Б. МакКим, Ронг Лу и Чао Чжан из USC; Литао Тао и Селия Блум из Университета Крейтона; Асири Эдиривикрема и Себастьян Кошаде из Медицинской школы Стэнфордского университета; и Инсяо Ши из Гарвардской медицинской школы и Института Даны-Фарбер по исследованиям рака.
Финансовая поддержка была предоставлена Фондом Чен Ёнга группы Чжунмэй, спонсорским исследовательским проектом компании Myelogene Inc., Фондом Л. К. Уиттьер, премией Eli and Edythe Broad Innovation Award, наградой Ming Hsieh Institute for Research on Engineering Medicine for Cancer, грантом USC SBIR/STTR Planning Award, фондом Xia Research Fund и исследовательским фондом Wu & Jiang.
Маджети также сообщил о поддержке от Ludwig Institute for Cancer Research. Чжэн Го получил финансирование через стипендию преддокторского обучения Калифорнийского института регенеративной медицины.
Материалы предоставлены Медицинской школой Кек при USC. Примечание: содержание могло быть отредактировано в соответствии со стилем и сокращено.
