Phenotypic screens identify biologic regulators of nanoparticle uptake in diffuse midline glioma

Voor kinderen met een specifieke en verwoestende vorm van hersentumor, genaamd diffuus middenlijn-glioom, wordt de weg naar behandeling geblokkeerd door een formidabele biologische muur. Deze tumoren ontstaan in het centrum van de hersenen, in diepe structuren zoals de pons of de thalamus, waardoor ze onmogelijk operatief te verwijderen zijn. Hoewel bestraling een korte verlichting biedt, keert de ziekte bijna altijd terug. Wetenschappers hopen al lang dat minuscule, technisch vervaardigde deeltjes, genaamd nanodeeltjes, levensreddende medicijnen direct naar deze tumoren kunnen dragen door de natuurlijke afweer van het lichaam te omzeilen. Echter, een fundamenteel mysterie heeft de vooruitgang gestremd: zelfs wanneer deze deeltjes de tumor bereiken, weigeren de kankercellen ze vaak binnen te laten. De cellen treden op als poortwachters, en zonder te begrijpen welke specifieke biologische schakelaars deze poorten controleren, kunnen artsen de deur niet open dwingen.

Om dit op te lossen, moesten onderzoekers verder kijken dan gissen welke chemische vormen het beste zouden werken. In plaats daarvan besloten ze de kankercellen zelf te vragen wat hun opname controleert. Door de cellen te behandelen als een complexe machine met duizenden verborgen hendels, probeerde het team te ontdekken welke hendels, wanneer ze worden overgehaald, de cellen meer bereid maken om de nanodeeltjes te accepteren. Deze aanpak verschuift de focus van het ontwerpen van betere deeltjes naar het begrijpen van de biologie van het doelwit, een strategie die nieuwe manieren kan ontsluiten om medicijnen toe te dienen aan de meest hardnekkige kankers.

In een nieuwe studie pakte een team van wetenschappers van instellingen waaronder het Broad Institute en Boston Children's Hospital dit probleem aan met een methode die het genoom behandelt als een enorme bibliotheek van schakelaars. Ze werkten met patiënt-afgeleide modellen van diffuus middenlijn-glioom, waarbij ze de tumorcellen in het laboratorium kweekten om een levend testbed te creëren. De onderzoekers gebruikten een krachtig genetisch instrument om systematisch duizenden verschillende genen in deze cellen één voor één uit te schakelen. Ze zochten naar een specifiek resultaat: welke cellen werden, nadat een specifiek gen was uitgeschakeld, plotseling veel beter in het doorslikken van de nanodeeltjes? Om dit te testen, introduceerden ze fluorescerende nanodeeltjes in de cellen. Deze deeltjes gloeiden onder een microscoop, waardoor de wetenschappers de cellen in twee groepen konden sorteren: de cellen die veel van de gloeiende lading hadden opgenomen en de cellen die er zeer weinig van hadden opgenomen.

Door de genetische samenstelling van de "hoge opname"-cellen te vergelijken met die van de "lage opname"-cellen, kon het team precies identificeren welke genen verantwoordelijk waren voor het blokkeren van de nanodeeltjes. De screening onthulde een verrassende leider in deze biologische blokkade: een eiwit genaamd bèta-catenine. In de cellen waar het gen voor bèta-catenine werd uitgeschakeld, stroomden de nanodeeltjes naar binnen. Dit resultaat was significant omdat bèta-catenine bekend staat om zijn rol bij het bij elkaar houden van cellen en het verzenden van groeisignalen, maar de rol ervan als poortwachter voor medicijntoediening was nooit eerder verkend. De onderzoekers bevestigden dit resultaat in twee verschillende patiëntmodellen en vonden dat het verwijderen van bèta-catenine de cellen ontvankelijker maakte voor nanodeeltjes, ongeacht de oppervlaktecoating van het deeltje of de vraag of het gemaakt was van vet of plastic.

Om te begrijpen waarom dit gebeurde, keken de wetenschappers dieper naar de veranderingen die optraden in de cellen wanneer bèta-catenine werd verwijderd. Ze ontdekten dat het verlies van dit eiwit een kettingreactie veroorzaakte die de buitenste schil van de cel verzachtte. Met behulp van een gespecialiseerd microfluïdisch apparaat dat meet hoe stijf een enkele cel is, ontdekten ze dat de bèta-catenine-deficiënte cellen aanzienlijk minder rigide waren dan normale cellen. Deze verzachting ging gepaard met een verschuiving in de manier waarop de cellen "aten". Normaal gesproken vertrouwen deze tumorcellen op een proces genaamd macropinocytose, waarbij ze grote hoeveelheden vloeistof en afvalstoffen doorslikken. Wanneer bèta-catenine werd verwijderd, vertraagde dit "doorslikmechanisme" en schakelden de cellen over naar een selectiever methode genaamd receptor-gemedieerde endocytose, waarbij ze specifieke items uit hun omgeving grijpen. Deze gedragsverandering maakte de cellen efficiënter in het naar binnen trekken van de nanodeeltjes.

De studie stopte niet bij het identificeren van een enkel eiwit. De genetische screening bracht ook verschillende andere routes aan het licht die reguleren hoe cellen interageren met nanodeeltjes, met name die betrokken bij de MAPK- en mTOR-signaleringsnetwerken. Dit zijn communicatiesystemen binnen de cel die vaak overactief zijn in kanker. De onderzoekers testten of ze het effect van het uitschakelen van bèta-catenine konden nabootsen door gebruik te maken van bestaande medicijnen die deze signaleringsroutes blokkeren. Ze behandelden de tumorcellen met een medicijn genaamd trametinib, dat het MAPK-pad remt. Het resultaat was hetzelfde als bij het genetische experiment: de met het medicijn behandelde cellen namen aanzienlijk meer nanodeeltjes op. Dit suggereert dat artsen bestaande kankermedicijnen niet alleen kunnen gebruiken om tumorcellen te doden, maar ook om ze te "primen", waardoor ze opener worden voor het ontvangen van medicijn-dragende nanodeeltjes.

De bevindingen bieden een nieuw blauwdruk voor de behandeling van deze moeilijke hersentumoren. In plaats van eindeloos de chemische samenstelling van de nanodeeltjes aan te passen om te zien wat blijft plakken, suggereert het onderzoek een "biologie-eerst"-aanpak. Door de specifieke regulatoren te begrijpen die de celinname controleren, kunnen wetenschappers manieren identificeren om de staat van de cel tijdelijk te veranderen om de toediening te verbeteren. De studie laat zien dat een combinatie van genetische screening en farmacologische interventie verborgen kwetsbaarheden in kankercellen kan onthullen. Hoewel het werk in het laboratorium werd uitgevoerd, wijst het naar een toekomst waarin behandelstrategieën zijn afgestemd op het specifieke biologische landschap van de tumor van een patiënt, wat potentieel een barrière kan veranderen in een deur naar levensreddende therapieën.