CRISPR-Cas9 Editing of Myeloid Lectins Reveals Target-Dependent Transcriptional Remodeling in Tumor-Associated Macrophages

In de slagvelden van het lichaam groeien tumoren niet alleen; ze bouwen een fort. Ze rekruteren gewone immuuncellen en veranderen hen in bondgenoten die de kanker beschermen in plaats van vernietigen. Onder deze gerekruteerde soldaten bevinden zich macrofagen, grote witte bloedcellen die normaal gesproken weefsels patrouilleren om puin op te ruimen en infecties te bestrijden. Maar wanneer ze een tumor binnengaan, veranderen ze vaak van aard en worden ze "tumor-geassocieerde macrofagen" die de kanker helpen om zich te verbergen voor het immuunsysteem, nieuwe bloedvaten te laten groeien en uit te zaaien. Wetenschappers vermoedden al lang dat deze cellen niet simpelweg aan- of uitgezet worden door één enkel signaal. In plaats daarvan lezen ze constant een complexe taal van chemische labels op het oppervlak van kankercellen. Eén deel van deze taal betreft suikers, of glycanen, die het oppervlak van cellen bedekken als een unieke ID-kaart. Gespecialiseerde receptoren op immuuncellen, bekend als lectines, fungeren als de lezers van deze suiker-ID-kaarten. Wanneer een lectine zich vastgrijpt aan een specifiek suikerpatroon van een tumor, stuurt het een bericht naar de immuuncel, waarin wordt verteld hoe de cel zich moet gedragen. De grote vraag was: welke van deze suiker-lezende receptoren zijn het belangrijkst voor het transformeren van een gezonde immuuncel in een kankerhulpje, en wat gebeurt er binnen de cel wanneer die verbinding wordt verbroken?

Om dit te beantwoorden, zette een team van onderzoekers zich schare voor om vijf specifieke lectine-receptoren te testen waarvan zij geloofden dat ze sleutelspelers in dit proces waren. Ze kozen ervoor om met menselijke cellen te werken om ervoor te zorgen dat de resultaten relevant zouden zijn voor mensen, maar het werken met deze cellen is berucht moeilijk. De onderzoekers hadden een manier nodig om elke van de vijf receptoren tijdelijk uit te schakelen in levende menselijke immuuncellen om te zien wat er veranderde. Ze gebruikten een precies moleculair instrument genaamd CRISPR-Cas9, dat werkt als een moleculaire schaar om specifieke genen door te knippen. In plaats van virussen te gebruiken om deze schaar toe te dienen, wat risicovol kan zijn, verpakten ze de schaar en hun doelgerichte gidsen in een eiwitcomplex en schoten ze deze direct de cellen in met behulp van een zachte elektrische puls. Deze methode stelde hen in staat de cellen te bewerken zonder achterlatende virale bagage. Ze testten hun methode eerst op een standaard laboratoriumcellijn om de beste "schaar" voor elke taak te vinden, en gingen daarna over naar verse menselijke immuuncellen afgenomen van gezonde donoren. Nadat ze de receptoren succesvol hadden uitgeschakeld, mengden ze deze bewerkte cellen met borstkankercellen in een driedimensionaal model dat de drukke omgeving van een echte tumor nabootst. Na ze een week lang te laten interageren, isoleerden ze de immuuncellen die zich in de tumormilieu hadden genesteld en lazen ze hun genetische instructies om te zien hoe hun gedrag was veranderd.

De resultaten onthulden dat de immuuncellen niet simpelweg een schakelaar omzetten van "goed" naar "slecht" of andersom. In plaats daarvan zorgde het verbreken van de verbinding met een van de vijf suiker-lezende receptoren ervoor dat de cellen hun interne energiesystemen op verrassende manieren reorganiseerden. De onderzoekers ontdekten dat wanneer deze receptoren werden uitgeschakeld, de cellen consequent veranderden in hoe ze hun brandstof beheerden. Ze verschoven hun metabolisme en veranderden de manier waarop ze vetten en suikers verwerkten om energie te generen. Deze metabole verschuiving was niet willekeurig; het was een gecoördineerde reactie die optrad bij alle verschillende receptoren die ze testten, wat suggereert dat deze suikerlezers diep verbonden zijn met het energiebeheer van de cel. De specifieke veranderingen hingen echter af van welke receptor werd verwijderd. Zo verminderde het uitschakelen van één receptor genaamd CLEC6A de drang van de cel om nieuwe bloedvaten op te bouwen en verlaagde het signalen die geassocieerd worden met een lage zuurstofconcentratie, wat veelvoorkomende kenmerken zijn van een tumor-ondersteunende omgeving. Het uitschakelen van een andere, CD209, had een vergelijkbaar effect op de bloedvatgroei, maar veranderde ook de manier waarop de cel lipiden verwerkte.

Misschien wel de meest opvallende bevinding was dat de sterkte van de genetische bewerking niet altijd de sterkte van de biologische verandering voorspelde. Eén receptor, CLEC4E, was erg moeilijk uit te schakelen; de onderzoekers konden het gen slechts in ongeveer een vijfde van de cellen breken. Toch vertoonden de cellen die succesvol bewerkt waren, ondanks dit lage succespercentage, een massale herstructurering van hun interne programma's, met name in hoe ze met stress omgingen en vetten verwerkten. Dit suggereert dat zelfs een klein aantal cellen dat deze specifieke receptor verliest, een krachtige verschuiving in hun gedrag kan triggeren. In contrast hiermee was een andere receptor, SELL, zeer gemakkelijk uit te schakelen, waarbij het gen in de meeste cellen werd gebroken, maar de resulterende veranderingen in het gedrag van de cel veel beperkter waren. Dit vertelt ons dat het belang van een receptor niet alleen bepaald wordt door hoe gemakkelijk deze uit te zetten is, maar door hoe cruciaal deze is voor de algemene functie van de cel.

De studie verduidelijkte ook wat deze cellen niet doen. De onderzoekers hadden zich afgevraagd of het verwijderen van deze suikerlezers de immuuncellen simpelweg zou veranderen in agressieve, ontstekingsbestrijdende machines. De gegevens lieten zien dat dit niet het geval was. In plaats van een uniforme overschakeling naar een "vechtmodus", namen de cellen een complexe, gemengde staat aan die specifiek was voor de ontbrekende receptor. Ze werden geen standaard ontstekingscellen; ze werden cellen met een duidelijke metabole identiteit. Dit daagt het oude idee uit dat immuuncellen in tumoren gewoon vastzitten in één enkele "slechte" modus die met één enkele schakelaar kan worden gerepareerd. In plaats daarvan bevinden ze zich in een dynamische staat, waarbij ze voortdurend hun energieverbruik en signalering aanpassen op basis van de suiker-signalen die ze ontvangen van de tumor.

Door deze veranderingen in kaart te brengen, identificeerden de onderzoekers welke receptoren de meest veelbelovende doelwitten zijn voor toekomstige therapieën. Ze vonden dat CLEC6A en CLEC4E bijzonder invloedrijk waren, waarbij de verwijdering ervan leidde tot de meest significante veranderingen in het gedrag van de cel, zelfs als CLEC4E moeilijk te bewerken was. Dit suggereert dat deze twee receptoren het meest cruciaal kunnen zijn voor het in stand houden van de tumor-ondersteunende staat. Het werk bevestigde ook dat de receptoren CD209 en SIGLEC9 een rol spelen bij het waarnemen van de suikerlaag van de tumor, en dat het verstoren van hen het metabolisme van de cel verandert en het vermogen om tumorgroei te ondersteunen vermindert. De studie testte niet of deze veranderingen een tumor in een levend persoon zouden stoppen met groeien, maar het bood een heldere, gedetailleerde kaart van hoe deze suiker-lezende receptoren het interne leven controleren van de immuuncellen die de kanker omringen. Het laat zien dat om het gedrag van het immuunsysteem in een tumor te veranderen, we verder moeten kijken dan eenvoudige activatie of onderdrukking en in plaats daarvan moeten focussen op hoe deze cellen hun energie beheren en reageren op de suiker-taal van de tumormilieu.