Functional Immunopeptidomics by Characterizing Immunopeptides Against HLAs, TCRs, and Antibodies

Il corpo umano mantiene una costante e silenziosa vigilanza contro il cancro attraverso un sofisticato sistema di sorveglianza. Al cuore di questa difesa ci sono proteine specializzate chiamate antigeni leucocitari umani, o HLA, che fungono da finestre espositive sulla superficie di ogni cellula. Queste finestre tengono in mostra piccoli frammenti delle proteine all'interno della cellula, permettendo alle cellule immunitarie di scansionarle alla ricerca di segni di problemi. Se una cella è sana, i frammenti appaiono normali. Se una cella è cancerosa, può esporre frammenti che sono mutati o chimicamente alterati, segnalando al sistema immunitario di attaccare. Per anni, gli scienziati alla ricerca di nuovi trattamenti oncologici si sono concentrati quasi esclusivamente sulla ricerca di questi frammenti mutati, sperando di progettare terapie che insegnino al sistema immunitario a riconoscerli. Tuttavia, questo approccio si scontra con un muro in molti tumori comuni, come il tumore del rene, dove le cellule non portano molte mutazioni. In questi casi, il sistema immunitario riesce comunque a combattere la malattia, suggerendo che il corpo stia riconoscendo qualcos'altro: forse frammenti che sono stati modificati chimicamente in modi unici o proteine che sono semplicemente sovraespresse dal tumore. La sfida è stata che gli strumenti utilizzati per trovare questi bersagli richiedono grandi quantità di tessuto e spesso perdono di vista i frammenti specifici con cui il sistema immunitario sta effettivamente interagendo, lasciando ai ricercatori un elenco di potenziali bersagli che potrebbero non essere i veri motori della risposta immunitaria.

Un team di ricercatori della Johns Hopkins University ha sviluppato un nuovo modo per osservare questo problema, che funziona con piccolissime quantità di tessuto e si concentra su ciò che il sistema immunitario sta effettivamente facendo. Invece di catalogare semplicemente ogni frammento che si trova sulla superficie di una cellula, il loro metodo separa i frammenti che vengono attivamente afferrati dai recettori immunitari da quelli che sono solo passivamente presenti. Hanno testato questo approccio su trenta campioni di tessuto di tumore renale, inclusi tumori e tessuto sano prelevati dagli stessi pazienti. Il processo inizia macinando appena dieci milligrammi di tessuto congelato in un liquido. Questo liquido viene poi fatto passare attraverso una serie di filtri, ciascuno progettato per catturare un diverso tipo di interazione immunitaria. Per prima cosa, il sistema cattura i frammenti legati agli anticorpi, poi quelli trattenuti da un tipo specifico di recettore immunitario, seguiti dai frammenti generici esposti dalle principali finestre della cellula. Fondamentalmente, i ricercatori hanno anche preso i recettori immunitari che avevano catturato e li hanno mescolati nuovamente con i frammenti isolati in una provetta per vedere quali si sarebbero attaccati naturalmente. Ciò ha permesso di distinguere tra i frammenti che sono solo presenti e quelli che sono funzionalmente importanti.

I risultati hanno rivelato un panorama di bersagli molto più ricco di quanto precedentemente visto. Da questi piccoli campioni, il team ha identificato quasi trentanove mila frammenti unici esposti dal primo tipo di finestra immunitaria e quasi ventisettemila frammenti unici esposti dal secondo tipo. Ancora più importante, quando hanno esaminato i frammenti che erano attivamente legati dai recettori immunitari, hanno scoperto che questi avevano molta più probabilità di essere unici del tumore e assenti dal tessuto sano. Infatti, il metodo di cattura di queste interazioni attive ha aumentato la purezza dei bersagli specifici del tumore fino a cinque volte rispetto al semplice esame di tutti i frammenti sulla superficie. I ricercatori hanno anche scoperto che molti di questi bersagli importanti non erano affatto mutati. Invece, erano proteine normali che erano state chimicamente alterate, come ad esempio con l'aggiunta di un gruppo fosfato, o erano proteine che il tumore produceva in quantità eccessive. Alcuni di questi bersagli apparivano ripetutamente in diversi pazienti, inclusi i nomi delle proteine NNMT, TMBIM6, RPL3, VIM ed ENPP3, suggerendo che siano bersagli affidabili per la terapia.

Lo studio ha anche svelato una differenza sorprendente nel modo in cui i due tipi di finestre immunitarie sono regolati. Per il primo tipo di finestra, il numero di frammenti esposti sulla superficie è direttamente collegato a quanta parte del macchinario proteico è presente nella cellula; quando la cellula produce più macchinario, espone più frammenti in modo lineare e prevedibile. Questo è guidato da un interruttore principale nel nucleo della cellula che accende l'intera linea di produzione. Tuttavia, il secondo tipo di finestra si comporta diversamente. Il numero di frammenti che espone non corrisponde alla quantità di macchinario proteico disponibile. Anche quando la cellula possiede tutti i componenti necessari, l'esposizione dei frammenti può essere bassa o inconsistente. I ricercatori hanno scoperto che questo accade perché il secondo tipo di finestra si affida a un processo complesso e multi-stadio di degradazione delle proteine all'interno della cellula, e questo processo è spesso irregolare o interrotto nelle cellule cancerose. A volte, la cellula degrada le proteine in modo troppo aggressivo, distruggendo proprio i frammenti necessari per l'esposizione, oppure non riesce a processarle correttamente, lasciando le finestre vuote nonostante la cellula sia piena di materie prime.

Questo lavoro fornisce una mappa più chiara di ciò che il sistema immunitario vede realmente nel tumore renale. Concentrandosi sui frammenti che sono attivamente impegnati dai recettori immunitari e lavorando con campioni di tessuto molto piccoli, i ricercatori hanno identificato un insieme di bersagli ad alta priorità che sono sia specifici del tumore che funzionalmente rilevanti. Hanno scoperto che il sistema immunitario risponde spesso a versioni chimicamente modificate di proteine normali e a proteine che sono semplicemente sovraespresse, piuttosto che solo a quelle mutate. Lo studio evidenzia anche che le regole che governano l'esposizione di questi bersagli non sono le stesse per tutte le parti del sistema immunitario: una parte segue un ordine stretto e prevedibile, mentre l'altra è soggetta a un processo più caotico e variabile. Queste scoperte suggeriscono che le future terapie oncologiche dovrebbero guardare oltre le semplici mutazioni e considerare queste proteine chimicamente modificate e sovraespresse come bersagli chiave. Il nuovo metodo offre un modo pratico per trovare questi bersagli in pazienti con campioni di tessuto limitati, accelerando potenzialmente lo sviluppo di trattamenti che sfruttano il sistema immunitario del corpo per combattere il cancro in modo più efficace.