Nya cancerimmunterapier innebär att man extraherar en patients T-celler och genmanipulerar dem så att de känner igen och attackerar tumörer. Denna teknik är ett sant medicinskt genombrott, med ett ökande antal leukemi- och lymfompatienter som upplever fullständig remission sedan CAR T-terapi godkändes av FDA 2017.

Denna typ av terapi är inte utan utmaningar, dock. Att konstruera en patients T-celler är mödosamt och dyrt. Och när det lyckas, förändringarna i immunsystemet gör patienterna omedelbart mycket sjuka under en kort tidsperiod, med symtom inklusive feber, illamående och neurologiska effekter.

Nu, University of Pennsylvania forskare har visat en ny ingenjörsteknik som, eftersom det är mindre giftigt för T-cellerna, skulle kunna möjliggöra en annan mekanism för att förändra hur de känner igen cancer.

Behandlingskurser med T-celler som använder denna mekanism skulle kunna ha färre biverkningar för patienterna.

Forskarnas nya tekniska teknik går ut på att transportera budbärar-RNA (mRNA) över T-cellens membran via en lipidbaserad nanopartikel, snarare än att använda ett modifierat HIV-virus för att skriva om cellens DNA. Att använda det förra tillvägagångssättet skulle vara att föredra, eftersom det bara ger en tillfällig förändring av patientens immunsystem, men den nuvarande standardmetoden för att få mRNA förbi cellmembranet kan vara för giftig för att användas på det begränsade antalet T-celler som kan extraheras från en patient.

Forskarna visade sin teknik i en studie publicerad i tidskriften Nanobokstäver . Det leddes av Michael Mitchell, Skirkanich biträdande professor i innovation vid institutionen för bioteknik vid Penns School of Engineering and Applied Science, och Margaret Billingsley, en doktorand i sitt labb.

De samarbetade med en av pionjärerna inom CAR T-terapi:Carl June, Richard W. Vague professor i immunterapi och chef för Center for Cellular Immunotherapies i Abramson Cancer Center och chef för Parker Institute for Cancer Immunotherapy vid Penns Perelman School of Medicine.

CAR T-terapi innebär att man konstruerar en patients egna T-celler så att de uttrycker chimära antigenreceptorer, "CAR" av "CAR T, " på sina ytor. Dessa receptorer gör det möjligt för T-cellerna att känna igen cancerceller som främmande inkräktare och rensa bort dem från kroppen. Nuvarande tekniska tekniker innebär att man tar bort ett antal av en patients T-celler, skriva om sitt DNA med ett virus så att de uttrycker dessa bilar, sedan injicera dem tillbaka i patienten.

"Denna virala ingenjörsmetod producerar T-celler med permanent CAR-uttryck, men det leder till allvarliga biverkningar, eftersom CAR T-cellerna förblir aktiva i patienten även efter att ha utrotat cancerceller, " säger Billingsley. "Att använda mRNA för att generera CAR T-celler, dock, skapar T-celler med övergående CAR-uttryck. Detta skulle kunna göra det möjligt för läkare att administrera CAR T-cellsterapier i doser för att rikta cancerceller utan att skada så många friska celler i processen, på så sätt mildrar biverkningarna."

Ett sådant tillvägagångssätt har ännu inte fått klinisk dragkraft, eftersom metoder för att få in mRNA i T-celler fortfarande är begränsade. Den nuvarande standarden, elektroporering, som innebär att cellmembranet perforeras med en elektrisk puls, är inte ett attraktivt alternativ, eftersom den mycket invasiva processen har en hög risk att döda T-cellen eller påverka dess funktionalitet. Även när den är optimerad, elektroporation leder ofta till celldöd i 50 procent av cellerna under celltillverkningsprocessen.

Med tanke på kostnaden, svårigheter och insatser förknippade med att förvärva dessa celler från en CAR T-patient, en mycket mindre giftig metod för att introducera mRNA behövs innan denna teknik är ett gångbart alternativ till DNA-redigeringsmetoden.

Mitchell, Billingsley och deras kollegor satte sig därför för att hitta en lämplig leveransplattform för att smyga mRNA förbi T-cellens membran i tillräckliga mängder för att de ska kunna översättas till de önskade receptorproteinerna.

Dock, eftersom T-celler inte lätt tar upp material från sin omgivning, att hitta rätt nanopartikel för denna applikation var en utmaning. Ytterligare, det skulle vara avgörande att plattformen inkluderar både högeffektiv leverans och låg cytotoxicitet - en sällsynt kombination.

"När man levererar terapeutiskt mRNA till celler, du måste alltid balansera styrkan med giftiga biverkningar, " säger Mitchell. "Vårt labb utvecklar joniserbara lipidnanopartiklar som säkert kan passera cellmembran, men frisätter terapeutiskt mRNA specifikt när det behöver frisättas. Vi ser detta som en stor fördel, som den nuvarande kliniska standarden, elektroporering, dödar en stor del av patientens T-celler."

"Vidare, " han säger, "vi föreställer oss som en plattformsteknologi för leverans av T-celler, eftersom vi kan göra mRNA för olika terapeutiska bilar, eller andra terapeutiska receptorer, mycket snabbt genom att helt enkelt ändra mRNA-sekvensen, och har därför en mängd olika terapeutiska tillämpningar."

Med in vitro-experiment, forskarna visade att deras nanopartiklar genererade CAR T-celler som var lika effektiva för att döda cancerceller som de viralt framställda CAR T-celler som för närvarande används kliniskt. Nästa steg kommer att inkludera in vivo-studier om effekterna av detta leveranssystem, undersöka effekterna av övergående CAR-uttryck på terapeutisk effekt och biverkningar.

"Med tanke på den ökande verktygslådan för RNA-terapi, nanopartikelleverans av RNA har breda tillämpningar för T-cellsteknik inklusive genetisk redigering av T-cells-DNA och modulering av proteinuttryck, säger June.