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

Het menselijk lichaam handhaaft een constante, stille wacht tegen kanker door middel van een geavanceerd surveillancesysteem. In het hart van dit verdedigingsmechanisme bevinden zich gespecialiseerde eiwitten genaamd humane leukocytenantigenen, of HLA's, die fungeren als etalages op het oppervlak van elke cel. Deze etalages houden kleine fragmenten van de eiwitten binnenin de cel omhoog, waardoor immuuncellen ze kunnen scannen op tekenen van problemen. Als een cel gezond is, zien de fragmenten er normaal uit. Als een cel kwaadaardig is, kan deze fragmenten tonen die gemuteerd of chemisch veranderd zijn, wat het immuunsysteem een signaal geeft om aan te vallen. Jarenlang hebben wetenschappers die op zoek waren naar nieuwe kankerbehandelingen zich bijna volledig gericht op het vinden van deze gemuteerde fragmenten, in de hoop therapieën te ontwerpen die het immuunsysteem leren deze te herkennen. Echter, deze aanpak loopt in veel veelvoorkomende vormen van kanker, zoals nierkanker, tegen een muur aan, waarbij de cellen weinig mutaties dragen. In deze gevallen slaagt het immuunsysteem er nog steeds in de ziekte te bestrijden, wat suggereert dat het lichaam iets anders herkent — misschien fragmenten die op unieke wijze chemisch zijn aangepast, of eiwitten die simpelweg in overvloed worden geproduceerd door de tumor. De uitdaging was dat de instrumenten die gebruikt werden om deze doelwitten te vinden grote hoeveelheden weefsel vereisten en vaak de specifieke fragmenten missen waar het immuunsysteem daadwerkelijk mee in interactie treedt, waardoor onderzoekers achterblijven met een lijst van potentiële doelwitten die mogelijk niet de echte drijvers van de immuunrespons zijn.

Een team van onderzoekers aan de Johns Hopkins University heeft een nieuwe manier ontwikkeld om naar dit probleem te kijken, een methode die werkt met zeer kleine hoeveelheden weefsel en zich richt op wat het immuunsysteem daadwerkelijk doet. In plaats van alleen elk fragment dat passief op het oppervlak van een cel ligt te catalogiseren, scheidt hun methode de fragmenten die actief worden gegrepen door immuunreceptoren van de fragmenten die er slechts passief zitten. Ze testten deze aanpak op dertig monsters van nierkankercellen, inclusend tumoren en gezond weefsel afgenomen van dezelfde patiënten. Het proces begint door slechts tien milligram bevroren weefsel tot een vloeistof te malen. Deze vloeistof wordt vervolgens door een reeks filters geleid, die elk ontworpen zijn om een ander type immuuninteractie op te vangen. Eerst vangt het systeem fragmenten op die gebonden zijn aan antilichamen, daarna de fragmenten die worden vastgehouden door een specifiek type immuunreceptor, gevolgd door de algemene fragmenten die worden getoond door de belangrijkste etalages van de cel. Cruciaal is dat de onderzoekers ook de immuunreceptoren die ze hadden opgevangen, terugmengden met de geïsoleerde fragmenten in een reageerbuis om te zien welke van de twee van nature aan elkaar zouden blijven plakken. Dit stelde hen in staat om onderscheid te maken tussen fragmenten die louter aanwezig zijn en fragmenten die functioneel belangrijk zijn.

De resultaten onthulden een landschap van doelwitten dat veel rijker is dan voorheen gezien. Vanuit deze kleine monsters identificeerde het team bijna drieëndertigduizend unieke fragmenten getoond door het eerste type immuunetalage en bijna zeventendertigduizend unieke fragmenten getoond door het tweede type. Belangrijker nog was dat toen ze naar de fragmenten keken die actief werden gebonden door immuunreceptoren, ze ontdekten dat deze veel grotere kans hadden om uniek te zijn voor de tumor en afwezig te zijn in gezond weefsel. Sterker nog, de methode om deze actieve interacties op te vangen, verhoogde de zuiverheid van tumorspecifieke doelwitten met een factor tot wel vijf vergeleken met het simpelweg bekijken van alle fragmenten op het oppervlak. De onderzoekers ontdekten ook dat veel van deze belangrijke doelwitten helemaal niet gemuteerd waren. In plaats daarvan waren het normale eiwitten die chemisch waren aangepast, zoals het dragen van een fosfaatgroep, of waren het eiwitten die de tumor in excessieve hoeveelheden produceert. Sommige van deze doelwitten kwamen herhaaldelijk voor bij verschillende patiënten, waaronder de eiwitten genaamd NNMT, TMBIM6, RPL3, VIM en ENPP3, wat suggereert dat dit betrouwbare doelwitten zijn voor therapie.

De studie onthulde ook een verrassend verschil in hoe de twee typen immuunetalages worden gereguleerd. Voor het eerste type etalage is het aantal fragmenten dat op het oppervlak wordt getoond direct gekoppeld aan de hoeveelheid eiwitmachinerie die in de cel aanwezig is; wanneer de cel meer van de machinerie maakt, toont deze meer fragmenten op een voorspelbare, lineaire manier. Dit wordt aangestuurd door een hoofdschakelaar in de kern van de cel die de gehele productielijn aanzet. Echter, het tweede type etalage gedraagt zich anders. Het aantal fragmenten dat het toont, komt niet overeen met de hoeveelheid beschikbare eiwitmachinerie. Zelfs wanneer de cel over voldoende componenten beschikt, kan de presentatie van fragmenten laag of inconsistent zijn. De onderzoekers ontdekten dat dit komt doordat het tweede type etalage vertrouwt op een complex, meerstaps proces van het afbreken van eiwitten binnen de cel, en dat dit proces in kankercellen vaak ongelijkmatig of defect is. Soms breekt de cel eiwitten te agressief af, waardoor de fragmenten die nodig zijn voor presentatie worden vernietigd, of verwerkt de cel ze niet correct, waardoor de etalages leeg blijven ondanks dat de cel vol zit met de grondstoffen.

Dit werk biedt een helderder beeld van wat het immuunsysteem daadwerkelijk ziet in nierkanker. Door zich te richten op de fragmenten die actief betrokken zijn bij immuunreceptoren en door te werken met zeer kleine weefselmonsters, hebben de onderzoekers een reeks hoog-prioritaire doelwitten geïdentificeerd die zowel tumorspecifiek als functioneel relevant zijn. Ze ontdekten dat het immuunsysteem vaak reageert op chemisch aangepaste versies van normale eiwitten en op eiwitten die simpelweg in overvloed worden geproduceerd, in plaats van alleen op gemuteerde varianten. De studie benadrukt ook dat de regels die bepalen hoe deze doelwitten worden getoond, niet hetzelfde zijn voor alle delen van het immuunsysteem; het ene deel volgt een strikte, voorspelbare orde, terwijl het andere onderhevig is aan een chaakter en variabeler proces. Deze bevindingen suggereren dat toekomstige kankertherapieën verder moeten kijken dan eenvoudige mutaties en deze chemisch aangepaste en overgeproduceerde eiwitten als sleuteldoelwitten moeten beschouwen. De nieuwe methode biedt een praktische manier om deze doelwitten te vinden bij patiënten met beperkte weefselmonsters, wat de ontwikkeling van behandelingen die het eigen immuunsysteem van het lichaam inzetten om kanker effectiever te bestrijden, potentieel kan versnellen.