Rational Design and Experimental Validation of a CCR7-Targeted Multi-Epitope Cytokine Fusion Protein for Cancer Immunotherapy

Het menselijke immuunsysteem is een uitgestrekt, ingewikkeld netwerk dat is ontworpen om dreigingen te identificeren en te elimineren, van invallende bacteriën tot de eigen cellen van het lichaam die uit de bocht zijn geslagen. In het geval van kanker faalt dit verdedigingssysteem vaak om de tumor te herkennen of wordt het overweldigd door het vermogen van de ziekte om zich te verstoppen. Een van de meest veelbelovende manieren om het immuunsysteem te helpen terugvechten, is door als een gids te fungeren, die immuuncellen direct naar de tumorlocatie leidt. Een essentieel onderdeel van dit begeleidingssysteem is een specifieke receptor op het oppervlak van immuuncellen, bekend als CCR7. Beschouw deze receptor als een gespecialiseerd slot op het oppervlak van de cel. Wanneer de juiste chemische sleutel erin past, ontvangt de cel een signaal om te bewegen, te vermenigvuldigen en aan te vallen. Twee natuurlijke chemicaliën in het lichaam, genaamd CCL19 en CCL21, dienen gewoonlijk als deze sleutels, maar zij hebben beperkingen in hoe ze als medicijnen kunnen worden gebruikt.

Onderzoekers zoeken al lang naar een manier om een krachtiger, alles-in-één instrument te creëren dat een bredere immuunrespons kan triggeren terwijl het specifiek op dit slot gericht is. De uitdaging ligt in het combineren van verschillende onderdelen van de gereedschapskist van het imsys met een enkele, stabiele molecuul die het lichaam effectief kan produceren en gebruiken. Als een dergelijk molecuul ontworpen zou kunnen worden, zou het meerdere soorten immuuncellen tegelijkertijd kunnen wakker maken, waardoor een gecoördineerde aanval op kanker ontstaat die effectiever is dan de huidige behandelingen. Dit is de centrale vraag die een team wetenschappers uit Iran en Georgië probeerde te beantwoorden: konden zij een op maat gemaakt eiwit bouwen dat fungeert als een meestersleutel voor de CCR7-receptor, terwijl het ook extra instructies draagt om de algehele kracht van het immuunsysteem te vergroten?

Het team begon hun werk niet in een nat laboratorium met reageerbuizen, maar in een digitale omgeving, waarbij ze computermodellen gebruikten om een nieuw type eiwit te ontwerpen. Ze wilden een fusie-eiwit creëren, wat in essentie een enkel molecuul is dat aan elkaar is gestikt uit delen van vier verschillende, natuurlijk voorkomende immuunsignalen. Ze selecteerden fragmenten van CCL21 en CCL19, de natuurlijke sleutels voor de CCR7-receptor, om ervoor te zorgen dat het nieuwe eiwit zijn doelwit zou vinden. Hieraan voegden ze fragmenten toe van twee andere immuunsignalen, GM-CSF en IL-1β, die erom bekend staan immuuncellen te helpen rijpen en activeren. Het doel was om deze vier afzonderlijke delen samen te voegen tot één continue keten die stabiel en functioneel zou blijven. Voordat ze het bouwden, voerden ze uitgebreide computersimulaties uit om te zien hoe het molecuul zich zou vouwen in een driedimensionale vorm en hoe het zou interageren met de CCR7-receptor. Deze digitale tests voorspelden dat het nieuwe eiwit stabiel zou zijn, geen allergische reacties zou uitlokken en nauwkeurig aan de receptor zou binden, waarbij het zijn vorm behield zelfs onder de stress van een gesimuleerde lichaamomgeving.

Zodra het ontwerp op de computer was bevestigd, verhuisde het onderzoeksteam naar het laboratorium om het molecuul tot leven te brengen. Ze plaatsten de genetische code voor dit nieuwe eiwit in een veelvoorkomende stam van de bacterie Escherichia coli, die fungeerde als een microscopische fabriek. De bacteriën werden in grote hoeveelheden gekweekt en het team slaagde erin de bacteriën te overtuigen om het aangepaste eiwit te produceren. Vervolgens gebruikten ze een chemisch proces om het nieuwe eiwit te scheiden van de rest van de bacteriële inhoud, wat resulteerde in een gezuiverd monster. Om te bewijzen dat ze precies hadden gemaakt wat ze hadden ontworpen, onderwierpen ze het eiwit aan een reeks strenge tests. Ze gebruikten een techniek die eiwitten scheidt op basis van gewicht om te bevestigen dat het de juiste grootte had, en een andere methode die antilichamen gebruikt om de identiteit te verifiëren. Ze gebruikten zelfs een hogeprecisie-massaspectrometer om het eiwit in piepkleine stukjes te breken en de sequentie te lezen, waarmee werd bevestigd dat het exact de genetische instructies bevatte die zij hadden geschreven. Het eiwit was niet alleen aanwezig, maar was ook structureel gezond en kwam overeen met de voorspellingen uit hun eerdere computermodellen.

Met het eiwit in handen testte het team hoe het zich gedroeg in levende cellen. Eerst keken ze naar menselijke immuuncellen afkomstig van zowel gezonde vrijwilligers als patiënten met kanker. Wanneer ze deze cellen blootstelden aan het nieuwe eiwit, reageerden de cellen door de productie van genen gerelateerd aan de immuunrespons te verhogen. Specifiek stegen de niveaus van de CCR7-receptor en de bijbehorende natuurlijke sleutels aanzienlijk, wat suggereerde dat het eiwit erin slaagde de communicatiekanalen van het immuunsysteem te activeren. Vervolgens richtten de onderzoekers hun aandacht op de kanker zelf, waarbij ze een veelvoorkomend type borstkankercellijn in het laboratorium gebruikten. Wanneer ze deze kankercellen behandelden met het nieuwe eiwit, begonnen de cellen te sterven. Het effect was dosisafhankelijk, wat betekent dat hogere hoeveelheden van het eiwit meer cellen doodden. Na drie dagen behandeling verminderde een specifieke concentratie het aantal levende kankercellen tot minder dan dertig procent van de oorspronkelijke hoeveelheid. Dit was een krachtig effect, vergelijkbaar met of zelfs beter dan wat werd waargenomen bij een standaard commerciële versie van een van de natuurlijke sleutels waarop zij hadden gemodelleerd.

Naast het simpelweg doden van kankercellen, veranderde het nieuwe eiwit ook de manier waarop de kankercellen bewogen. Kanker verspreidt zich wanneer cellen zich losmaken van een tumor en migreren naar andere delen van het lichaam. In een test die bedoeld was om deze beweging te meten, creëerden de onderzoekers een kleine opening in een laag kankercellen en observeerden hoe snel deze zich zou sluiten. Cellen die behandeld waren met het nieuwe eiwit bewogen zeer traag, waarbij de opening na drie dagen nog grotendeels open bleef. In contrast hiermee sloten onbehandelde cellen de opening bijna volledig in dezelfde tijd. Dit gaf aan dat het eiwit de kankercellen niet alleen doodde, maar ook de verspreiding ervan stopte. Ten slotte testte het team het vermogen van het eiwit om als een magneet te fungeren voor immuuncellen. Ze plaatsten het eiwit in een schaal met menselijke immuuncellen en observeerden dat de cellen in grote aantallen naar het eiwit toe bewogen, wat aantoonde dat het eiwit zijn vermogen behield om de verdedigers van het lichaam naar een specifieke locatie te rekruteren. Hoewel de gedetailleerde experimentele secties van deze studie zich concentreerden op deze laboratorium (in vitro) en computer (in silico) modellen, merkt de abstract op dat de voorlopige toediening van het eiwit in een muismodel voor tumoren ook leidde tot een verhoogde telling van witte bloedcellen, wat wijst op een mogelijke systemische immuunactivatie in levende organismen.

De studie concludeert dat dit op maat ontworpen eiwit een levensvatbare kandidaat is voor verdere ontwikkeling. Het slaagde erin om vier verschillende immuunsignalen te combineren in één enkel, stabiel molecuul dat door bacteriën geproduceerd kon worden. In het laboratorium bewees het in staat te zijn om aan zijn doelwit te binden, menselijke immuuncellen te activeren, borstkankercellen te doden en die cellen te stoppen met bewegen. Hoewel het werk momenteel beperkt is tot computersimulaties en laboratoriumexperimenten, bieden de resultaten een sterk fundament voor de volgende stappen. De onderzoekers suggereren dat deze aanpak van het aan elkaar naaien van meerdere immuunsignalen een nieuwe manier kan bieden om kanker te behandelen, een manier die preciezer en krachtiger is dan het gebruik van enkelvoudige componenten alleen. Het eiwit is nu klaar om getest te worden in complexere diermodellen om te zien of deze veelbelovende laboratoriumresultaten kunnen worden vertaald naar een werkelijke therapie voor patiënten.