A supramolecular pyroptosis nanogenerator based on non- covalent interactions for cancer immunotherapy

Die Krebsimmuntherapie ist ein Fachgebiet, das sich der Aufgabe widmet, das körpereigene Abwehrsystem dazu zu bringen, bösartige Zellen zu erkennen und zu zerstören. Jahrelang suchten Wissenschaftler nach einem Weg, eine spezifische Art des Zelltods auszulösen, die mehr tut, als nur einen Tumor zu eliminieren; sie wollen einen Tod herbeiführen, der ein Alarmsignal an das Immunsystem sendet. Dieser Alarm wird Pyroptose genannt. Im Gegensatz zum leisen Zelltod, der ohne viel Aufsehen geschieht, ist die Pyroptose ein lauter, entzündlicher Prozess. Wenn eine Zelle die Pyroptose durchläuft, platzt sie auf und setzt chemische Signale frei, die Immunzellen zum Ort der Infektion oder Erkrankung rufen. Die Herausforderung bestand darin, einen zuverlässigen Weg zu finden, diesen spezifischen Ausbruch in Krebszellen auszulösen, ohne gesundes Gewebe zu schädigen, insbesondere da viele Krebszellen gelernt haben, die Maschinerie zu verstecken, die für diesen Prozess benötigt wird.

Ein Forschungsteam der Zhejiang University of Technology und anderer Institutionen hat einen neuen Ansatz entwickelt, um dieses Problem zu lösen. Sie haben eine winzige, molekulare Maschine konstruiert, die darauf ausgelegt ist, drei verschiedene Komponenten direkt in einen Tumor zu liefern und die Krebszellen dazu zu zwingen, auf eine Weise zu explodieren, die das Immunsystem alarmiert. Diese Maschine wurde nicht durch das Verkleben von Teilen mit permanenten chemischen Bindungen gebaut, sondern durch die Verwendung einer Reihe vorübergehender, nicht permanenter Verbindungen, die die Teile zusammenhalten, bis sie ihr Ziel erreichen. Die Forscher nennen dieses Gerät einen supramolekularen Nanogenerator. Seine Aufgabe ist es, einen Kalzium-Überlast-Induktor, ein Medikament, das Zellen für Stress sensibilisiert, sowie ein Molekül zu transportieren, das ein genetisches „Schloss“ entfernt, welches den Zelltod auf die gewünschte Weise verhindert.

Der Kern dieser Erfindung ist eine kluge Anordnung von Molekülen, die wie ein Schloss-und-Schlüssel-System zusammenarbeiten, jedoch ohne die Starrheit einer einzelnen festen Struktur. Die Forscher begannen mit einem ringförmigen Molekül namens Beta-Cyclodextrin, das ein hohles Zentrum besitzt, in dem andere Moleküle gehalten werden können. Sie befestigten einen speziellen „molekularen Klebstoff“ an diesen Ring. Dieser Klebstoff hat zwei unterschiedliche Enden: Ein Ende passt passgenau in den Ring, während das andere Ende darauf ausgelegt ist, ein spezifisches Medikament namens Decitabin zu greifen. Dieses Medikament ist für sich allein instabil und baut sich im Körper schnell ab, aber der Klebstoff hält es stabil. Gleichzeitig ist das hohle Zentrum des Rings mit einem anderen Wirkstoff, Curcumin, gefüllt, das normalerweise schwer in Wasser löslich ist. Durch das Einsperren dieser beiden Medikamente in den Ring stellten die Forscher sicher, dass sie gemeinsam reisen und bis zum Erreichen des Tumors stabil bleiben.

Um die Maschine zu vervollständigen, fügte das Team eine dritte Schicht hinzu, die als Schutzhülle und Auslöser dient. Sie verwendeten eine Polymerkette, die eine negative elektrische Ladung trägt, um Kalziumionen anzuziehen und festzuhalten. Diese Kalziumionen dienen dann als Fundament für den Aufbau einer Schale aus Kalziumkarbonat um die gesamte Struktur. Diese Mineralschale ist entscheidend, da sie in der neutralen Umgebung des Blutkreislaufs stabil ist, sich aber rasch auflöst, wenn sie auf die sauren Bedingungen trifft, die in Tumoren und in den winzigen Kompartimenten der Zellen, den Lysosomen, vorkommen. Das bedeutet, dass die Maschine während der Reise durch den Körper intakt bleibt, aber sobald sie von einer Krebszelle aufgenommen wird, die saure Umgebung die Schale zum Zerbröckeln bringt und alle drei Komponenten gleichzeitig freisetzt.

Wenn die Maschine im Inneren der Krebszelle auseinanderfällt, setzt sie eine Kettenreaktion in Gang. Die freigesetzten Kalziumionen überfluten die Zelle, was eine Überlastung erzeugt, die die Energiefabriken der Zelle, die Mitochondrien, beschädigt. Diese Schädigung verursacht einen Anstieg schädlicher reaktiver Sauerstoffspezies, was ein Protein namens Caspase-3 aktiviert. Normalerweise würde dieses Protein zu einer leisen Form des Zelltods, der Apoptose, führen. Die Forscher nahmen jedoch einen zweiten Mechanismus auf, um das Ergebnis zu verändern. Das Decitabin wirkt, sobald es freigesetzt wird, indem es chemische Markierungen von der DNA entfernt, die ein Gen namens GSDME stummgeschaltet hatten. In vielen Krebszellen ist dieses Gen abgeschaltet, was die Pyroptose verhindert. Indem das Gen wieder aktiviert wird, stellt das Decitabin sicher, dass bei Aktivierung von Caspase-3 das GSDME-Protein geschnitten wird, was dazu führt, dass die Zellmembran reißt und die Zelle platzt.

Die Ergebnisse dieser dualen Strategie wurden an Mäusen mit Brustkrebs getestet. Die Forscher fanden heraus, dass der Nanogenerator erfolgreich in den Tumoren akkumulierte und seine Fracht freisetzte. In den behandelten Mäusen unterzogen sich die Krebszellen der Pyroptose, platzten auf und setzten Signale frei, die Immunzellen anlockten. Speziell erhöhte die Behandlung die Anzahl der zytotoxischen T-Zellen, den primären Killer des Immunsystems, während sie die Anzahl der regulatorischen T-Zellen reduzierte, die die Immunantwort normalerweise unterdrücken. Die Tumore in den behandelten Mäusen schrumpften im Vergleich zu den Kontrollgruppen signifikant. Darüber hinaus eliminierte die Kombination des Nanogenerators mit einer Standard-Immuncheckpoint-Therapie nahezu die metastasierenden Tumore, die in die Lunge gestreut hatten, und die Mäuse überlebten wesentlich länger, ohne Anzeichen von Toxizität zu zeigen.

Die Studie zeigt, dass es durch den Einsatz präziser, nicht permanenter molekularer Interaktionen möglich ist, komplexe Kombinationen von Medikamenten zu liefern, die ansonsten inkompatibel wären. Das System überwindet das Problem der Instabilität von Medikamenten und stellt sicher, dass die Freisetzung erst dort erfolgt, wo sie benötigt wird. Die Forscher bestätigten, dass die Maschine funktioniert, indem sie die Freisetzung spezifischer Proteine misst und die Immunreaktion beobachtet, was zeigt, dass der Ansatz effektiv einen „kalten“ Tumor, der das Immunsystem ignoriert, in einen „heißen“ Tumor verwandelt, der unter aktivem Angriff steht. Diese Arbeit liefert einen neuen Bauplan für die Entwicklung von Krebsbehandlungen, die nicht nur Tumorzellen töten, sondern auch den Körper darauf trainieren, die Krankheit effektiver zu bekämpfen.