Priprava humanih CAR imunskih celic z napredno logiko in porazdeljenim računalništvom

Povzeto po članku:J. Cho, A. Okuma, K. Sofjan, S. Lee, J. Collins, W.W. Wong: Engineering advanced logic and distrubuted computing in human CAR immune cells. Nat. Commun. 2021, 12, 792-, https://doi.org/10.1038/s41467-021-21078-7

Uvod

Človeški imunski sistem je zmožen zaznati in (skladno) logično odreagirati na različne antigene in signale iz okolja. Takšno delovanje omogočajo različne imunske celice, ki so ob aktivaciji imunskega sistema sposobne oblikovati t.i. celični konzorcij ali združbo, v kateri vsaka celica opravlja svojo nalogo. Različne imunske celice lahko prepoznavajo specifične podvrste vhodnih in izhodnih signalov ter tako opravljajo specializirane funkcije. Poleg tega imajo celice tudi zmožnost neposredne medsebojne komunikacije s čimer dosežejo začasno koordinirane odzive, ki jih v celoti zaznamo kot imunski odziv. Natančnost v obdelavi signalov in komunikaciji med imunskimi celicami je nujno potrebna za doseganje homeostaze in preprečevanja bolezni. V namen izkoriščanja lastnega imunskega odziva za zdravljenje, so se razvile številne terapije, s katerimi poskušamo vplivati na zaznavanje signalov ali medcelične interakcije imunskih celic. Težava pa se pojavi, saj večina obstoječih imunoterapij ne zmore razlikovati med tarčami glede na kombinacijo več antigenov, hkrati pa vključujejo le posamezne tipe imunskih celic, kar omejuje njihovo uporabnost. Sposobnost vključevanja sinteznih kompleksnih logičnih vezij v človeške imunske celice in ustvarjanje celic s sposobnostjo porazdeljenega računalništva oziroma medcelične komunikacije, lahko vodi v razvoj sintetske združbe imunskih celic, kar bi omogočilo varnejšo in učinkovitejšo imunoterapijo [1]. Eden izmed načinov kako lahko ustvarimo takšne imunske celice je z uporabo SUPRA CAR sistema.

CAR in (SUPRA) CAR sistem

CAR

Himerni antigenski receptor ali CAR (angl. Chimeric antigen receptor) je sintezno načrtovan receptor, ki ga najpogosteje vnašamo v bolnikove limfocite T, s čimer omogočimo zdravljenje raka in drugih bolezni [2]. CAR sistem ima štiri glavne komponente: antigen-vezavno domeno, najpogosteje sestavljeno iz enoverižnega variabilnega fragmenta protiteles (scFv), vmesnik, transmembransko domeno in intracelularno signalno domeno T celičnega receptorja (CD3ζ) ter ko-stimulatornega receptorja (npr. CD28 ali 4-1BB). [1,3] Konvencionalni CAR sistemi delujejo tako, da po vezavi konstantnega antigen-specifičnega CAR, izraženega na bolnikovi T celici, na tarčni antigen, prihaja do simultane aktivacije konstantnih signalnih domen, kar vodi do celične proliferacije, sproščanja citokinov, metabolnih sprememb in citotoksičnosti [2,4]. CAR sistem je bil razvit z namenom preusmeritve bolnikove T celične specifičnosti proti rakavim celicam in s tem njihovo odstranitev. CAR sistem ima zelo visoko učinkovitost proti nekaterim vrstam raka, predvsem krvnim rakom, težava pa se pojavlja pri trdnih tumorjih, saj celice ne morejo prodirati v tumor [1,3]. Poleg tega oviro predstavlja tudi zasnova trenutno uporabljenih CAR T celic, ki je zelo rigidna in fiksna, zaradi česar je celice težko uravnavati, poleg tega pa je omejena tudi zmožnost kontroliranja stopnje aktivacije CART T celic in s tem celične toksičnosti. Fiksna zasnova prav tako omejuje antigensko specifičnost in afiniteto. Za zagotavljanje visoke antigenske specifičnosti se tako pogosto uporabljajo visoko afinitetni scFv, ki pa imajo omejeno sposobnost razlikovanja med antigensko gostoto, zaradi česar se lahko pojavi nevarna reaktivnost proti zdravim celicam, ki izražajo antigene v nizkih količinah. Posledično je zdravljenje s CAR T celicami povezano z razvojem sindroma sproščanja citokinov in nevrološko toksičnostjo [2].

SUPRA CAR

Da bi izboljšali in razširili uporabo CAR sistema so Wong in sodelavci leta 2018 razvili nov, razcepljen, univerzalen in programabilen (SUPRA) CAR sistem [2]. SUPRA CAR sistem je sestavljen iz dveh delov: univerzalnega receptorja (zipCAR), ki je izražen na T celicah ali drugih celicah imunskega sistema in scFv adaptorske molekule (zipFv), ki omogoča specifično ciljanje tumorjev. ZipFv molekula vsebuje levcinsko zadrgo in scFv, ki specifično prepozna želene antigene, ZipCAR pa je sestavljen iz intracelularne signalne domene in ekstracelularne levcinske zadrge, ki se specifično veže na zadrgo zipFv. Ob vezavi levcinskih zadrg, pride do povezave tarčnega antigena in zipCAR izraženega na T celicah, kar povzroči celični odziv. SUPRA CAR sistem ima številne zmožnosti kot je preklapljanja »ON/OFF«, uravnavanja T celične aktivacije in »IN« logičnega procesiranja signalov ter neodvisnega kontroliranja različnih T celičnih podtipov in drugih imunskih celic [2].

Raziskava

Rezultati

a) SUPRA CAR celice lahko aktivirajo različne tipe celic pridobljenega in prirojenega imunskega sistema

b) SUPRA CAR celice lahko kontrolirajo makrofagno polaricazijo preko CD4+ T celične aktivacije

c) SUPRA CAR celice se logično odzivajo na kombinatorne antigene v različnih celičnih tipih

d) Ko-inhibitorna signalna domena pridobljena iz BTLA omogoča »NE« logično vezje

e) 3-vhodna logična vezja v celici z uporabo SUPRA CAR sistema

f) SUPRA CAR lahko preusmeri Treg in Tconv odzive za simultano in logično kontrolo imunske aktivacije in supresije

g) Več-celični sistem stikala smrti

h) Porazdeljeno računalništvo z medcelično komunikacijo omogoča nastanek združbe imunskih celic