Innen

Aug 22, 2023

An einem Samstagmorgen ging meine Kaffeemühle in meinen Händen auseinander. Normalerweise handelt es sich dabei um einen schnellen Prozess, bei dem ich die Bohnen mahle, den Deckel zerkleinere und warte, bis der sprudelnde, düstere Klang die richtige Klangfarbe erreicht hat. Als ich dieses Mal den Deckel abnahm, brach das Kunststoffgehäuse der Maschine ab.

Ich konnte im Inneren der Mühle sehen, wie sie funktioniert. Ein Knopf am Deckel stößt in einen (normalerweise versteckten) Kunststoffstift, der den Motoraktivierungsschalter betätigt, der die Klingen in Drehung versetzt. Damit es wieder funktionierte, musste ich alles genau wie zuvor zusammenbauen. Ich fummelte an der Ausrichtung der Stifte herum und setzte dann vorsichtig das Gehäuse ein. Gadget wiederhergestellt!

Ich gebe das alles weiter, um zu erklären, warum ich von einer wissenschaftlichen Arbeit, die kürzlich auf meinem Schreibtisch landete, verblüfft war. Die Krebsforscher von Stanford Medicine, Robbie Majzner, MD, Aidan Tousley und ihre Kollegen haben krebsbekämpfende Immunzellen namens CAR-T-Zellen umgestaltet, indem sie ein wichtiges Element vom Inneren der Zellen nach außen verschoben haben. Das ist ein seltsamer Schachzug – so seltsam, als ob sie ein Stück aus dem Inneren der Kaffeemühle nehmen und es an die Außenseite des Deckels kleben würden.

Doch ihre ungewöhnliche Strategie war erfolgreich. Wie in einer kürzlich in Nature veröffentlichten neuen Studie erläutert, führte die Inside-Out-Innovation des Teams dazu, dass sich krebstötende Zellen eher auf Tumore konzentrieren und gesundes Gewebe in Ruhe lassen – eine dringend benötigte Entwicklung in der Krebsimmuntherapie.

„Wir haben nicht erwartet, dass das überhaupt funktioniert“, sagte Majzner, Assistenzprofessor für Pädiatrie. „Wir gingen davon aus, dass man etwas auf der Zelloberfläche verwenden musste, um einen Oberflächenrezeptor herzustellen.“

CAR-T-Zellen, auch chimäre Antigenrezeptor-T-Zellen genannt, sind Immunzellen, die zur Krebsbekämpfung entwickelt wurden. Um sie herzustellen, entnehmen Ärzte dem Körper eines Patienten Immunzellen und modifizieren sie im Labor, indem sie einen synthetischen Rezeptor auf ihre Oberfläche auftragen, der einen spezifischen Marker auf der Außenseite von Tumorzellen erkennt. Anschließend geben sie die CAR-T-Zellen an den Patienten zurück. Die manipulierten Zellen wandern durch das Blut, binden Krebszellen und greifen den Krebs an und zerstören ihn.

CAR-T-Zellen werden in einer Handvoll von der FDA zugelassener Krebsbehandlungen eingesetzt, die auf bestimmte Formen von Blutkrebs abzielen, die von weißen Blutkörperchen, den sogenannten B-Zellen, ausgehen. Diese Behandlungen sind zwar wirksam, haben aber einen Haken: Die CAR-T-Zellen greifen Oberflächenmarker an, die sowohl auf gesunden als auch auf krebsartigen B-Zellen reichlich vorhanden sind. Die Therapien beseitigen den Krebs, töten aber auch die gesunden B-Zellen des Patienten ab.

„Man kann ohne B-Zellen leben“, sagte Majzner. „Deshalb hat es funktioniert.“

Da es jedoch nicht sicher ist, Zellen zu verabreichen, die beispielsweise die gesunde Leber oder das Lungengewebe eines Patienten angreifen, war es schwierig, CAR-T-Zellen so zu entwickeln, dass sie solide Tumore in den Organen des Patienten angreifen.

„Forscher hatten Mühe, etwas zu finden, das bei soliden Tumoren gut funktioniert“, sagte Tousley, ein Biowissenschaftsforscher, und wies darauf hin, dass die Marker solider Tumoren mit gesundem Gewebe geteilt werden. „Sie haben kein eindeutiges Ziel, das wirklich leicht zu verfolgen ist.“

Eine mögliche Lösung besteht darin, CAR-T-Zellen herzustellen, die nur dann angreifen, wenn sie eine bestimmte Kombination aus zwei Arten von Zelloberflächenmarkern binden, da die Oberflächen von Tumorzellen möglicherweise andere Molekülkombinationen auf ihrer Oberfläche tragen als gesunde Zellen. Bisher waren Wissenschaftler dadurch eingeschränkt, dass sie die molekularen Widgets, die zum Zusammenbau von CAR-T-Zellen verwendet wurden, kaum variiert hatten, was ihre Möglichkeiten zur Schaffung von Zellen einschränkte, die sich als Reaktion auf Signalkombinationen einschalten. Um dieses Problem zu umgehen, begannen Majzner und Tousley, am Innenleben von CAR-T-Zellen herumzubasteln.

Zellen haben viele bewegliche Teile, darunter viele Proteine, die Signale von der Oberfläche der Zelle in ihr Inneres übertragen. Diese Proteine ​​funktionieren wie eine Kette umfallender Dominosteine. Ein Rezeptor auf der Zelloberfläche erkennt den Beginn der Nachricht und leitet sie dann weiter, indem er kleine molekulare Veränderungen im Inneren der Zelle auslöst. Diese Veränderungen laufen über eine lange Sequenz unterschiedlicher Proteine ​​ab, von denen jedes eine molekulare Veränderung beim nächsten Mitglied der Reihe bewirkt.

Auf der Suche nach neuen Möglichkeiten zur Aktivierung von CAR-T-Zellen beschlossen die Wissenschaftler, einige der Mittelsequenzproteine ​​in die Zellmembran einzubetten und sie mit den chimären Antigenrezeptoren zu verbinden, die Marker auf anderen Zellen, einschließlich Krebszellen, binden. Würde dies die Tötungsfähigkeit der CAR-T-Zellen aktivieren? Seltsamerweise, sagte Tousley, war es so.

Anschließend untersuchten die Wissenschaftler die genauen Mechanismen, wie die Signalübertragung aktiviert wird. Sie haben (mit viel Versuch und Irrtum) herausgefunden, wie man zwei Arten von manipulierten Rezeptoren dazu bringt, sich jeweils an ein anderes Molekül auf einer Krebszelle zu heften und sich dann miteinander zu verbinden. Zusammen (und nur zusammen!) aktiviert der Komplex die Signalkaskade, um die krebstötende Aktivität der Zellen zu starten.

Das Kunststück erforderte viele Rückgriffe auf die Entdeckungen der 1990er Jahre, die die Signalkaskaden von Zellen detailliert beschrieben.

„Aidan verbrachte den COVID-Shutdown damit, alte Arbeiten zu lesen, die die grundlegende Biologie dieser Moleküle definierten“, sagte Majzner und wies darauf hin, dass die ersten Studien vor Jahrzehnten nur aus Neugier durchgeführt wurden und nicht mit Blick auf zukünftige Heilmittel. „Letztendlich haben wir eine neue Form der Zelltechnik eröffnet, die es uns ermöglicht, die interne Maschinerie der Zellen auf unerwartete Weise zu nutzen.“

Viele der frühen CAR-T-Zellen des Teams hatten eine „undichte“ Aktivierung, was bedeutet, dass die Zellen nur durch eines der beiden Moleküle auf Krebszelloberflächen aktiviert wurden, Moleküle, die auch auf gesunden Zellen vorkommen. Mit anderen Worten: Der Schutz der CAR-T-Zellen, krebsspezifische Kombinationen von Oberflächenmolekülen anzugreifen, funktionierte nicht ganz und sie könnten versehentlich gesunde Zellen angreifen.

Das Team musste mehr als 100 Varianten der synthetischen Rezeptoren herstellen, um dieses Problem letztendlich zu lösen, sagte Tousley.

„Um den Punkt zu erreichen, an dem die Zellen eingeschaltet wurden und mit beiden Markern konsequent nur Krebszellen abgetötet wurden, dauerte es über ein Jahr der Entwicklung und Generierung verschiedener Varianten von CAR-T-Zellen“, sagte er.

Frühe Tests an Mäusen zeigen, dass die CAR-T-Zellen tatsächlich auf solide Tumore abzielen können, ohne gesundes Gewebe zu schädigen. Es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich, um die besten Zellmarkerpaare für die Therapie bei Krebserkrankungen beim Menschen zu identifizieren.

„Jeder, der an Krebs erkrankt ist, weiß, dass viele aktuelle Behandlungen verheerende Auswirkungen auf den gesamten Körper haben“, sagte Tousley. „Wir versuchen Wege zu finden, nur den Krebs zu bekämpfen und den Rest des Körpers unversehrt zu lassen.“

Er ist froh, dass er an dem unkonventionellen Projekt festgehalten hat.

„Mir gefiel die Idee: ‚Können wir das anders machen, als es traditionell gemacht wird?‘“, sagte Tousley. „Dies ist ein unerforschtes Gebiet des Designs chimärer Antigenrezeptoren. Die Neuheit hat wirklich Spaß gemacht und mich auch dann gefesselt, wenn es viele Misserfolge gab.“

Foto von Design Cells