光激活开关激活抗癌免疫细胞进入肿瘤

调动患者自身免疫系统对抗癌症的免疫疗法已成为治疗支柱。这些疗法，包括嵌合抗原受体(CAR)T细胞疗法，在白血病和淋巴瘤等癌症中表现良好，但在实体肿瘤中效果不太理想。

宾夕法尼亚州立大学医学院研究人员领导的团队现已重新设计了免疫细胞，使其能够穿透并杀死实验室中生长的实体肿瘤。科学家们创建了一个光激活开关，可以控制septin-7(一种与细胞结构和形状相关的蛋白质)的功能，并将其整合到自然杀伤细胞中，自然杀伤细胞是一种对抗感染和肿瘤的免疫细胞。

当这些细胞暴露在蓝光下时，它们会变形，然后迁移到肿瘤球体(实验室中从小鼠或人类细胞系中培养出的3D肿瘤)中，并杀死肿瘤细胞。该团队表示，他们的新方法可以改善基于细胞的免疫疗法。

宾夕法尼亚州立大学医学院G.ThomasPassananti教授兼生物化学和分子生物学教授NikolayDokholyan博士表示：“这项技术完全是创新的。它类似于CAR-T细胞疗法，但其指导原则是细胞浸润肿瘤的能力。我不知道还有什么方法能与此相提并论。”

Dokholyan是该团队在PNAS上发表论文的资深作者，论文题为“光遗传学设计的Septin-7增强了肿瘤球体的免疫细胞浸润”。该团队在论文中表示：“在这里，我们通过操纵活细胞中的septin-7功能来增强免疫细胞对肿瘤球体的渗透，这可能会改善针对实体瘤的细胞免疫疗法。”

CART细胞疗法于2017年首次获得FDA批准，此后已在某些癌症(尤其是血癌)的治疗中显示出令人鼓舞的效果。作者写道：“目前正在开发的细胞免疫疗法的前身是嵌合抗原受体(CAR)T细胞疗法，其中六种疗法自2017年以来已获得美国食品药品管理局的批准。”为了进行治疗，需要从患者体内取出T细胞并对其进行重新设计，使其表面产生一种蛋白质，该蛋白质可与癌细胞上的特定靶蛋白结合。当这些CART细胞被注入患者体内时，它们会利用该靶蛋白杀死癌细胞。

然而，Dokholyan表示，CAR-T细胞疗法在治疗实体瘤方面效果不佳，实体瘤约占成人癌症的90%和儿童癌症的40%。免疫细胞无法渗透到肿瘤周围由蛋白质和其他细胞组成的致密网络，而恶劣的环境会抑制它们的抗癌能力。“CAR-T细胞疗法在某些液体肿瘤，特别是造血系统恶性肿瘤中显示出巨大的成功，而在实体瘤的临床前研究和临床试验中表现不佳，很少有患者获得良好的反应，”作者进一步指出。“实体瘤治疗的主要挑战之一是由致密的细胞外基质组成的物理屏障，它阻止免疫细胞穿透组织攻击肿瘤内的癌细胞。”此外，实体瘤之间存在巨大的多样性，很难确定要攻击的特定目标蛋白。

为了改善基于细胞的实体瘤免疫疗法，Dokholyan表示，免疫细胞需要能够绕过实体瘤的防御系统。利用计算模型，该团队设计并测试了septin-7的光控版本，septin-7是一种维持细胞骨架(维持细胞形状和组织的结构)所必需的内部蛋白质。他们在septin-7中插入了一个光敏域，以创建Dokholyan所说的“变构调节剂”。作者进一步解释说：“利用蛋白质变构设计，我们重新编程了septin-7的三维结构，并插入了蓝光响应的光氧电压感应域2(LOV2)，从而创建了光控的septin-7-LOV2混合蛋白。”

蛋白质的光敏部分远离蛋白质的活性位点，在被触发之前不会干扰蛋白质的结构和功能。该域由蓝光激活，从而打开或关闭蛋白质功能。

研究人员利用光敏的septin-7蛋白重新设计了人类自然杀伤免疫细胞。在蓝光照射下，研究人员观察到septin-7的正常功能被破坏。这些重新设计的细胞还呈现出更细长的纺锤状形状和更大的向外延伸的突起，这有助于细胞与环境相互作用并从一个位置移动到另一个位置。

“尽管自然杀伤细胞很小，大约10微米，但当用蓝光激活这种蛋白质时，免疫细胞就会改变形状，挤进大约3微米大小的小孔中，”Dokholyan说。“这足以渗透到肿瘤球体中并从内部杀死它们。”

研究人员用两种类型的实体肿瘤球体测试了重新设计的自然杀伤免疫细胞，一种是用人类乳腺癌细胞制成的，另一种是用人类宫颈癌细胞制成的。研究人员发现，在七天内，重新设计的免疫细胞杀死了肿瘤细胞。相比之下，对照自然杀伤细胞从外部攻击肿瘤球体，但无法突破肿瘤，最终肿瘤继续生长。该团队还重新设计了小鼠的免疫细胞，并用小鼠黑色素瘤细胞制成的肿瘤球体对其进行了测试。

作者在报告他们的集体研究时表示：“根据我们的计算研究和实验数据，我们提出，在黑暗条件下，工程化的LCS7可作为野生型septin-7蛋白发挥作用。在蓝光照射下，激活的LOV2结构域会给septin-7结构带来巨大的结构扰动，并损害septin寡聚体的形成，最终导致大量细胞突出、细胞极性增加、细胞迁移效率提高，以及免疫细胞向肿瘤球体中的浸润增强。”

尽管结果令人信服，但Dokholyan强调这项工作仍处于初步阶段，需要进行更多研究来评估该技术的潜在治疗用途。他说，他还希望探索其他可以调节蛋白质功能和细胞行为的激活线索。研究人员总结道：“我们提出的增强免疫细胞浸润的策略与其他方法兼容，因此可以结合使用，进一步改善针对实体肿瘤的细胞免疫疗法。”

研究人员已提交临时申请，为论文中描述的技术申请专利。