Биоинженерный инструмент выявляет скрытые раковые клетки

Newswise — Раковые клетки могут обойти иммунную защиту организма, используя обычно полезную и вездесущую группу молекул, известную как муцины. Теперь исследователи из Стэнфорда разработали биомолекулу, которая удаляет муцины специально из раковых клеток — открытие, которое может сыграть важную роль в будущих методах лечения рака.

Муцины представляют собой покрытые сахаром белки, основной функцией которых является защита организма от физических повреждений и патогенов. Но раковые клетки могут использовать муцины для своего выживания. Удаление муцинов из раковых клеток является правдоподобной терапией, но муцины существуют в различных формах на каждый клеток в организме млекопитающих, поэтому неизбирательное нацеливание на муцины может иметь непредвиденные побочные эффекты.

Решение, разработанное исследовательской группой под руководством Стэнфорда, представляет собой, по сути, ножницы на основе ферментов, состоящие из муциназы — фермента, разрезающего белок (называемого протеазой), который специально разрезает муцины, — слитого с нанотелом, нацеленным на раковые клетки (фрагмент антитела). ). Эта биомолекула, состоящая из двух частей, избирательно нацеливается и удаляет только муцины, связанные с определенными раковыми клетками.

Это исследование, проведенное на выращенных в лаборатории раковых клетках человека и в исследованиях на мышах, моделирующих рак груди и легких человека, показало, что лечение биомолекулами значительно снижает рост опухоли и увеличивает выживаемость. Их выводы, опубликовано 3 августа в Природная биотехнология, имеют широкое применение, поскольку муцины связаны со многими заболеваниями, включая муковисцидоз, респираторные заболевания и вирусы.

«Мы обнаружили, что можем нацеливать эту муциназу на раковые клетки, использовать ее для удаления муцинов из этих раковых клеток, и это дает терапевтический эффект», — сказал старший автор. Кэролайн Бертоцципрофессор Энн Т. и Роберт М. Басс в Стэнфордском Школа гуманитарных и естественных наук.

аспирант Габриэль «Габби» Тендер является со-ведущим автором исследования с двумя бывшими исследователями лаборатории Бертоцци — Кайвон Педрамруководитель группы в исследовательском кампусе Джанелия HHMI и Д. Джуди Шонпостдокторант Калифорнийского технологического института.

Когда хорошие муцины портятся

Хотя раковые клетки используют муцины в гнусных целях, в целом муцины полезны. Но когда муцины портятся, это ужасно.

«Муцины играют важную роль во всем организме, например, образуют слизь в нашем кишечнике и легких и защищают нас от патогенов», — сказал Тендер. «Раки доводят этот естественный процесс до 11, захватывая функции муцинов, чтобы защитить себя и распространиться по всему телу».

В этом исследовании изучались две функции муцинов, связанные с прогрессированием рака. Первый помогает клеткам выживать в свободно плавающих средах с «низкой адгезией».

«Рак метастазирует и распространяется в организме — раковые клетки отрываются, перемещаются в другую часть тела и укореняются», — сказал Бертоцци. «Путешествующие раковые клетки должны выживать в средах с низкой адгезией. Большинство клеток не могут, но клетки, модифицированные муцинами, могут».

Вторая функция заключается в связывании с рецепторами контрольных точек, которые, по сути, являются сторожевыми собаками иммунной системы, которые проверяют клетки в организме. Некоторые раковые клетки снабжают свою клеточную поверхность муцинами, покрытыми особыми сахарами, которые особенно хорошо связываются с этими рецепторами. Когда этот украшенный сахаром муцин связывается с рецепторами контрольных точек, это указывает на то, что раковая клетка не представляет угрозы, и блокирует иммунный ответ организма.

«Это заставляет иммунные клетки игнорировать рак, а не уничтожать его должным образом», — объяснил Тендер.

Добраться до него — полдела

Биомолекула исследователей, ищущая муцин, состоит из двух частей, слитых вместе. Первая часть представляет собой муциназу, полученную из бактерий, которая расщепляет муцины. Вторая часть представляет собой раково-специфическое нанотело, которое связывается с соответствующим антигеном на раковых клетках.

Нанотело «прикрепляет муциназу к раковой клетке», — сказал Бертоцци, директор семьи Бейкер. Сарафан ЧЭМ-Х. «Эта технология является частью нашей более крупной программы Сарафанской ЧЭМ-Н по созданию бесконтактных лекарств». Лекарства, основанные на близости, собирают интересующие биомолекулы в определенную область, поэтому поблизости может произойти желаемая химическая реакция.

Команда Бертоцци тщательно изучила бактериальные протеазы, расщепляющие муцины. Эти «муциназы» сокращаются, когда сталкиваются со специфическим расположением пептидов (аминокислот) и гликанов (сахаров) в муцинах. Для этого исследования ученые выбрали муциназу StcE (произносится как «липкая»), полученную из бактерий. кишечная палочка.

Бактериальные ферменты уже используются в лечении рака, например острого лимфобластного лейкоза у детей. Однако муциназы не тестировались в качестве инъекционных терапевтических средств. Итак, команде нужно было убедиться, что муциназа StcE работает и безопасна. Команда протестировала муциназу StcE на мышах и обнаружила, что она работает, но разрушает муцины по всему телу, подтверждая необходимость нацеливания муциназы на муцины, связанные с опухолью.

Предыдущие исследования лаборатории Бертоцци и других показали, что слияние антител с ферментами может нацеливать их активность на определенные клетки. Но для этого требуется разработка фермента, чтобы он работал немного хуже, поэтому он режет только рядом с целью. После многих мутаций муциназы StcE команда создала версию, названную eStcE («сконструированная липкая»), которая удовлетворяла их потребности.

Команда выбрала нанотело, известное как 5F7, для своей биомолекулы, потому что оно хорошо изучено и соответствует антигену (называемому HER2), связанному с раком молочной железы, яичников и другими видами рака. Исследователи разработали две разные ориентации комбинации нанотел eStcE муциназа-HER2 и протестировали каждую на предмет выхода, стабильности, активности муциназы и связывающей способности. Наиболее эффективная ориентация получила название αHER2-eStcE.

Затем исследователи проверили биомолекулу αHER2-eStcE, чтобы увидеть, избирательно ли она убивает раковые клетки-мишени в серии тестов в лабораторных чашках. Затем они подтвердили, что биомолекула работает и нетоксична в двух разных исследованиях на мышах. Первый из этих экспериментов моделировал метастатический (распространяющийся) рак легких, а второй моделировал рак молочной железы человека в виде опухолей, расположенных в области молочной железы мышей.

Эти исследования показали, что биомолекула αHER2-eStcE эффективна как в отношении муцинов опухолей, так и в отношении метастазирующих клеток. В исследованиях на мышах исследователи обнаружили, что лечение αHER2-eStcE значительно снижает рост рака и увеличивает выживаемость по сравнению с группой мышей, не получавших лечения.

Будущие направления

Насколько близко это исследование подводит нас к новой терапии рака для людей? Ближе, но еще не там.

«Один из важных следующих шагов — посмотреть, сможем ли мы создать сопоставимую целевую муциназу, используя протеазу, полученную из человека», — сказал Бертоцци. «То, что в этом исследовании, не получено от людей, поэтому оно имеет более высокий риск нежелательного иммунного ответа».

Тендер в настоящее время работает над созданием такой муциназы человеческого происхождения.

Хотя необходимы дополнительные исследования, это исследование представляет собой большой шаг вперед в исследованиях рака.

«У нас есть десятилетия доказательств того, что муцины важны при раке, от больных раком и экспериментов, но раньше мы не так много могли сделать, чтобы избавиться от этих муцинов», — сказал Тендер. «Мы были вдохновлены тем, что у нас наконец есть подход к деградации муцинов на раковых клетках».