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

Immunotherapie tegen kanker is een vakgebied dat zich richt op het aanleren van het eigen verdedigingsmechanisme van het lichaam om kwaadaardige cellen te herkennen en te vernietigen. Jarenlang hebben wetenschappers gezocht naar een manier om een specifiek type celsterfte te triggeren die meer doet dan alleen een tumor te elimineren; ze willen een dood die een alarm afgaat naar het immuunsysteem. Dit alarm wordt pyroptose genoemd. In tegenstelling tot een stille celsterfte, die plaatsvindt zonder veel vertoon, is pyroptose een luidruchtig, ontstekingsbevorderend proces. Wanneer een cel pyroptose ondergaat, barst deze open en komen er chemische signalen vrij die immuunsoldaten naar de plek van de infectie of ziekte lokken. De uitdaging is geweest om een betrouwbare manier te vinden om deze specifieke explosie in kankercellen te triggeren zonder gezond weefsel te beschadigen, vooral omdat veel kankercellen hebben geleerd de machines die nodig zijn voor dit proces te verbergen.

Een team van onderzoekers aan de Zhejiang University of Technology en andere instellingen heeft een nieuwe aanpak ontwikkeld om dit probleem op te lossen. Ze hebben een kleine, moleculaire machine ontworpen die ontworpen is om drie verschillende componenten direct in een tumor af te leveren en de kankercellen te dwingen te exploderen op een manier die het immuunsysteem waarschuwt. Deze machine is niet gebouwd door onderdelen met permanente chemische verbindingen aan elkaar te lijmen, maar door gebruik te maken van een reeks tijdelijke, niet-permanente verbindingen die de stukjes bij elkaar houden totdat ze hun doel bereiken. De onderzoekers noemen dit apparaat een supramoleculaire nanogenerator. Zijn taak is het dragen van een calciumoverload-inducer, een medicijn dat cellen gevoelig maakt voor stress, en een molecuul dat een genetische "slot" verwijdert dat de cel verhindert op de gewenste manier te sterven.

De kern van deze uitvinding is een slimme assemblage van moleculen die samenwerken als een systeem van slot en sleutel, maar zonder de stijfheid van een enkel solide structuur. De onderzoekers begonnen met een ringvormig molecuul bekend als bèta-cyclodextrine, dat een hol centrum heeft dat andere moleculen kan vasthouden. Ze bevestigden een speciale "moleculaire lijm" aan deze ring. Deze lijm heeft twee duidelijke uiteinden: één uiteinde past precies in de ring, terwijl de andere kant is ontworpen om grip te krijgen op een specifiek medicijn genaamd decitabine. Dit medicijn is op zichzelf onstabiel en breekt snel af in het lichaam, maar de lijm houdt het stabiel. Tegelijkertijd is het holle centrum van de ring gevuld met een ander medicijn, curcumine, dat normaal gesproken moeilijk op te lossen is in water. Door deze twee medicijnen in de ring te vangen, zorgden de onderzoekers ervoor dat ze samen zouden reizen en stabiel zouden blijven totdat ze de tumor bereikten.

Om de machine te voltooien, voegde het team een derde laag toe die fungeert als een beschermende schil en een trigger. Ze gebruikten een polymeerketen die een negatieve elektrische lading draagt om calciumionen aan te trekken en vast te houden. Deze calciumionen dienen vervolgens als fundament voor het bouwen van een schil van calciumcarbonaat rond de gehele structuur. Deze minerale schil is cruciaal omdat deze stabiel is in de neutrale omgeving van de bloedbaan, maar snel oplost wanneer deze de zure omstandigheden tegenkomt die worden gevonden in tumoren en binnen de kleine compartimenten van cellen die lysosomen worden genoemd. Dit betekent dat de machine intact blijft tijdens het reizen door het lichaam, maar zodra de machine door een kankercel wordt opgenomen, zorgt het zure milieu ervoor dat de schil uiteenvalt, waardoor alle drie de componenten tegelijkertijd vrijkomen.

Wanneer de machine in de kankercel uit elkaar valt, zet dit een kettingreactie in gang. De vrijgekomen calciumionen overstromen de cel, wat een overbelasting veroorzaakt die de energiecentrales van de cel, de mitochondriën, beschadigt. Deze schade veroorzaakt een piek in schadelijke reactieve zuurstofverbindingen, wat een eiwit genaamd caspase-3 activeert. Normaal gesproken zou dit eiwit leiden tot een stille vorm van celsterfte, genaamd apoptose. Echter, de onderzoekers voegden een tweede mechanisme toe om de uitkomst te veranderen. De decitabine werkt, eenmaal vrijgelaten, door chemische labels te verwijderen die het DNA die een gen genaamd GSDME stillegden. In veel kankercellen staat dit gen uit, wat pyroptose voorkomt. Door het gen weer in te schakelen, zorgt de decitabine ervoor dat wanneer caspase-3 wordt geactiveerd, het het GSDME-eiwit doorsnijdt, waardoor het celmembraan scheurt en de cel openbarst.

De resultaten van deze tweeledige strategie werden getest op muizen met borstkanker. De onderzoekers ontdekten dat de nanogenerator succesvol accumuleerde in de tumoren en zijn lading vrijgaf. In de behandelde muizen ondergingen de kankercellen pyroptose, waarbij ze openbarstten en signalen vrijgaven die immuuncellen aantrokken. Specifiek verhoogde de behandeling het aantal cytotoxische T-cellen, de primaire moordenaars van het immuunsysteem, terwijl het aantal regulatoire T-cellen, die normaal gesproken de immuunrespons onderdrukken, werd verminderd. De tumoren in de behandelde muizen krompen aanzienlijk vergeleken met de controlegroepen. Bovendien, wanneer de nanogenerator werd gecombineerd met een standaard immuuncheckpointtherapie, elimineerde de behandeling bijna de metastatische tumoren die naar de longen waren verspreid, en de muizen overleefden veel langer zonder tekenen van toxiciteit te vertonen.

De studie toont aan dat door gebruik te maken van precieze, niet-permanente moleculaire interacties, het mogelijk is om complexe combinaties van medicijnen af te leveren die anders incompatibel zouden zijn. Het systeem overwint het probleem van medicijninstabiliteit en zorgt ervoor dat de afgifte alleen plaatsvindt waar dat nodig is. De onderzoekers bevestigden dat de machine werkt door de afgifte van specifieke eiwitten te meten en de immuunrespons te observeren, waarmee zij aantoonden dat de aanpak er effectief in slaagt een "koude" tumor, die het immuunsysteem negeert, te veranderen in een "hete" tumor die onder een actieve aanval staat. Dit werk biedt een nieuw blauwdruk voor het ontwerpen van kankerbehandelingen die niet alleen tumorcellen doden, maar ook het lichaam trainen om de ziekte effectiever te bestrijden.