Ученые USC открыли способ создания неограниченного запаса клеток, борющихся с раком

Ученые Университета Южной Калифорнии (USC) открыли способ производства потенциально возобновляемого запаса противораковых иммунных клеток, открыв новое многообещающее направление в лечении рака. Работая с незрелыми клетками, которые могут развиться в мощных защитников иммунитета, исследователи создали систему, способную генерировать большое количество генетически модифицированных клеток, которые распознают опухоли и помогают активировать естественные защиты организма.

Прорыв, описанный в исследовании, опубликованном в журнале Cell, может помочь преодолеть некоторые из самых больших препятствий в иммунотерапии рака, включая сложность производства достаточного количества иммунных клеток и поддержание их активности в организме. В экспериментах на мышах генетически модифицированные клетки внедрились в костный мозг, производили новые иммунные клетки и замедляли прогрессирование как кровяных раков, так и солидных опухолей.

Команда, возглавляемая USC Stem Cell, сосредоточилась на типе незрелых иммунных клеток под названием гранулоцитарно-моноцитарные предшественники (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 могут интенсивно расти в лаборатории, сохраняя способность развиваться в функционирующие иммунные клетки. Они также могли быть генетически модифицированы для распознавания конкретных раковых маркеров и усиления более широких иммунных ответов.

"Исследование устанавливает масштабируемую и настраиваемую платформу GMP для клеточной иммунотерапии и вводит концепции, которые, по нашему мнению, могут иметь широкие последствия для иммунотерапии рака и биологии стволовых клеток", - сказал ведущий автор исследования Ци-Лун Ин, доктор медицины, доктор философии, профессор биологии стволовых клеток и регенеративной медицины в Медицинской школе Кека при USC.

Помимо потенциального применения в лечении рака, открытие бросает вызов давно установившемуся пониманию того, как развиваются кровяные и иммунные клетки.

Стволовые клетки известны своей способностью к самообновлению, что означает, что они могут повторно делиться, сохраняя свои первоначальные свойства. В кроветворной системе эта способность традиционно связывалась в основном с гемопоэтическими стволовыми клетками, которые могут производить все основные типы кровяных и иммунных клеток.

Клетки-предшественники, напротив, находятся дальше в развитии и уже приобрели обязательства по производству более ограниченного диапазона клеток. Обычно считается, что они имеют меньшую способность к долгосрочному самообновлению.

Исследователи USC продемонстрировали, что GMP могут сохранять эту способность при тщательно контролируемых условиях лабораторно. Вместо того чтобы быстро созревать в другие типы клеток, предшественники продолжили размножаться, сохраняя свою идентичность и способность генерировать функциональные иммунные клетки.

"Преобладающая точка зрения заключалась в том, что долгосрочное самообновление в кровяной системе является главным образом свойством гемопоэтических стволовых клеток, которые могут генерировать любой тип кровяной или иммунной клетки", - сказал Ин. "Мы обнаружили, что при надлежащих условиях GMP также могут самообновляться, интенсивно делясь, сохраняя при этом свою идентичность и способность производить функциональные иммунные клетки. Это дает нам масштабируемую отправную точку для разработки инженерных клеточных терапий для рака, инфекционных заболеваний и потенциально многих других состояний."

Это открытие может быть особенно важно для разработки методов лечения, требующих больших и надежных поставок генетически модифицированных иммунных клеток.

Макрофаги - одни из самых универсальных защитников иммунной системы. Их название происходит от греческих слов, означающих "большие едоки", отражая их способность окружать и поглощать бактерии, поврежденные клетки и другой нежелательный материал.

Они также помогают координировать иммунные ответы, отправляя 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.

Одно особенно многообещающее применение включает солидные опухоли, которые включают раки, образующие массы в органах и тканях. Существующие методы лечения, основанные на генетически модифицированных Т-клетках, достигли своих наибольших успехов против определенных кровяных раков, но лечение солидных опухолей оказалось более сложным.

Макрофаги предлагают потенциально другой подход, поскольку они естественным образом мигрируют в ткани и могут проникать в опухоли. Однако преобразование их в практические методы лечения представляет несколько проблем.

Одна после того, как макрофаги полностью созреют, их сложно размножать в больших количествах вне организма. Их также сложно модифицировать генетически, и они могут быть повреждены при замораживании и хранении, что усложняет производство и распределение клеточных терапий.

Другая проблема возникает после введения. Зрелые макрофаги часто накапливаются в органах, таких как легкие и печень, вместо того чтобы распространяться широко по всему организму. Их относительно быстрое исчезновение также может ограничивать продолжительность эффективности лечения.

Чтобы обойти эти ограничения, ученые решили начать на более ранней стадии развития иммунных клеток.

Вместо того чтобы пытаться производить большое количество зрелых макрофагов, первый автор Ши Юэ, врач, из лаборатории Ина и его коллеги сосредоточились на GMP, клетках-предшественниках, которые могут производить макрофаги.

Исследователи разработали точно определенную смесь химических веществ, которая позволила GMP выживать и размножаться в течение длительного периода в лаборатории. Смесь предотвращала преждевременное развитие клеток в зрелые иммунные клетки, сохраняя возобновляемую популяцию предшественников.

Даже после интенсивного лабораторного расширения, GMP сохранили молекулярные характеристики, которые их определяли. Важно отметить, что они также сохранили способность развиваться в функциональные макрофаги и другие связанные иммунные клетки при необходимости.

Этот подход может сделать возможным производство большого количества генетически модифицированных иммунных клеток из исходной популяции, которая может непрерывно расширяться, вместо повторного сбора и подготовки зрелых клеток.

Для подтверждения того, что метод может быть воспроизведен, сотрудники лаборатории Рави Маджети, доктора медицины, доктора философии, в Стэнфордском университете независимо продемонстрировали, что GMP могут поддерживаться в течение длительного периода и генетически модифицироваться. Их результаты обеспечили дополнительную поддержку надежности метода и его потенциального использования в будущих клеточных терапиях.

Маджети, директор Института биологии стволовых клеток и регенеративной медицины Стэнфордского университета, отметил: "Этот метод расширения и инженерии GMP открывает двери для многочисленных трансляционных применений, так же как расширение и инженерия Т-клеток. Мы уже продемонстрировали инженерию этих клеток для управления множеством мощных функций, и предстоит еще многое исследовать."

Далее команда исследовала, можно ли запрограммировать эти расширяемые клетки-предшественники на борьбу с раком.

Они генетически модифицировали GMP для переноса химерного антигенного рецептора, или CAR. Этот инженерный рецептор позволяет иммунным клеткам идентифицировать конкретный молекулярный маркер на поверхности раковых клеток, помогая направить их активность на опухоли.

Технология CAR уже является важной частью иммунотерапии рака, особенно в методах лечения, которые модифицируют Т-клетки пациента для распознавания и атаки рака. Исследователи USC исследовали, может ли аналогичная стратегия быть применена к GMP, позволяя им генерировать генетически модифицированные макрофаги и другие иммунные клетки.

Ученые также оснастили некоторые из клеток-предшественников дополнительным сигналом активации иммунитета. Эта модификация была разработана для привлечения и стимуляции близлежащих иммунных клеток, включая Т-клетки, которые могут помочь осуществить более мощную атаку на рак.

Дополнительный сигнал предложил еще одно потенциально важное преимущество. Он оставался эффективным даже когда иммунные характеристики клеток донора не совпадали с характеристиками реципиента.

Это открытие повышает возможность разработки готовых к применению методов лечения с использованием клеток, произведенных заранее от доноров. В отличие от персонализированных клеточных терапий, которые должны быть подготовлены отдельно с использованием собственных клеток каждого пациента, такие продукты потенциально могли бы производиться в больших партиях и предоставляться нескольким пациентам.

После успешного расширения и инженерии GMP как от мышей, так и от людей, исследователи исследовали их терапевтический потенциал в экспериментах на мышах.

При введении мышам клетки-предшественники внедрились в костный мозг и другие местоположения, ответственные за производство кровяных клеток. Эти среды предоставили места, где GMP могли генерировать дополнительные генетически модифицированные макрофаги и связанные иммунные клетки.

Это было важное отличие от методов лечения с использованием зрелых макрофагов. Вместо того чтобы полагаться исключительно на иммунные клетки, которые могут исчезнуть относительно быстро, предшественники могли обеспечить продолжающийся источник клеток замены изнутри организма.

Стратегия может поэтому помочь преодолеть быстрый клиренс, который ограничил терапии макрофагов, включая подходы, оцениваемые в недавних клинических испытаниях.

Исследователи протестировали генетически модифицированные клетки у мышей с кровяными раками и солидными опухолями. GMP, несущие CAR рецепторы, замедлили прогрессирование заболевания в обоих типах рака.

Эффекты были еще сильнее, когда предшественники несли как CAR рецепторы, так и дополнительный сигнал, предназначенный для активации других иммунных клеток. Эта комбинация улучшила способность лечения стимулировать более широкий противоопухолевой ответ.

Хотя эти результаты обнадеживают, результаты лечения рака остаются доклинических. Необходимо дальнейшее исследование, чтобы установить, могут ли генетически модифицированные GMP использоваться безопасно и эффективно у людей, особенно если они предназначены для сохранения и производства иммунных клеток в течение длительного периода.

Ученые также исследовали, может ли их подход помочь в лечении состояний, связанных с дефектными защитами иммунитета.

В отдельном эксперименте на мышах они изучали хроническую гранулематозную болезнь, наследственное нарушение, которое мешает способности определенных иммунных клеток убивать вредные микробы. Люди с этим состоянием особенно уязвимы для повторяющихся бактериальных и грибковых инфекций, потому что их иммунные клетки не могут эффективно устранить некоторые патогены.

Когда исследователи введили GMP мышам с этим нарушением, клетки восстановили способность животных бороться с бактериальной инфекцией.

Этот результат предполагает, что возобновляемые, генетически модифицированные предшественники иммунных клеток в конечном итоге могут иметь применения за пределами рака, включая методы лечения унаследованных иммунных недостатков и потенциально инфекционных заболеваний.

По словам исследователей, более широкий урок заключается в том, что стадия развития иммунной клетки может быть столь же важна, как и генетические модификации, используемые для превращения ее в лечение.

Путем инженерии клеток до того, как они полностью созреют, ученые могут создавать методы лечения, которые легче производить, более адаптивны и способны поддерживать постоянный запас специализированных иммунных защитников.

"Наше исследование предполагает, что будущее иммунотерапии может зависеть не только от проектирования лучших CAR рецепторов, но и от выбора правильной стадии развития клетки", - сказал Ин.

Исследование, опубликованное в журнале Cell, озаглавлено "Expansion and CAR engineering of granulocyte-monocyte progenitors for cellular immunotherapy."

Наряду с Ином, Юэ и Маджети, команда исследователей включала Чжэн Го, Кристал Пан, Сюэюань А. Цзин, Тай Нгуена, Цзяци Тана, Янпуй Чана, Умберто Контрераса-Трухильо, Ду Цзяна, Сюэ Яня, Хань Сяна, Сюгэн Лю, Сяо Ванга, Зиюань Ванга, Натали Шу, Даниэля Б. МакКима, Ронг Лу и Чао Чжана из USC; Литао Тао и Селию Блум из Университета Крейтона; Асири Эдириwickrema и Себастьяна Кошаде из Медицинской школы Стэнфордского университета; и Ингсяо Ши из Гарвардской медицинской школы и Онкологического института Дана-Фарбер.

Финансовую поддержку оказали Фонд Чэнь Юн Группы Чжунмэй, спонсируемый исследовательский проект от Myelogene Inc., Фонд L.K. Уитьер, награда за инновации Эли и Эдит Броад.