多年來，腫瘤學(xué)研究一直在尋找既能殺死癌細胞又不傷害正常組織不受傷害的藥物。在兩篇新論文中，加州大學(xué)舊金山分校和普林斯頓大學(xué)的科學(xué)家提出了用“智能”細胞療法來解決這個問題的互補策略——活性藥物除非被只在癌細胞中出現(xiàn)的蛋白質(zhì)組合觸發(fā)，否則將保持惰性。
幾年來，Wendell Lim博士和合成免疫中心的同事們已經(jīng)對這種特殊方法的生物學(xué)方面進行了探索，該中心由UCSF細胞設(shè)計計劃和國家癌癥研究所資助。但這項新工作通過將尖端的治療細胞工程與先進的計算方法相結(jié)合，為這項工作增加了一個強大的新維度。
在2020年9月23日發(fā)表在《細胞系統(tǒng)》上的一篇論文中，Lim實驗室的成員與普林斯頓大學(xué)劉易斯-西格勒綜合基因組學(xué)研究所和西蒙斯基金會Flatiron研究所的計算機科學(xué)家Olga G. Troyanskaya博士的研究小組進行了合作。利用機器學(xué)習(xí)的方法，研究小組分析了大量的數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫包含在癌癥細胞和正常細胞中發(fā)現(xiàn)的數(shù)千種蛋白質(zhì)。然后，他們梳理了數(shù)百萬種可能的蛋白質(zhì)組合，以組成一個組合，這些組合可以用來精確地瞄準(zhǔn)癌細胞，而不影響正常的細胞。
在2020年11月27日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的另一篇論文中，Lim和他的同事展示了如何利用這些計算得出的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)來推動設(shè)計有效且高度選擇性的癌癥細胞療法。
“目前，大多數(shù)癌癥治療，包括細胞治療，都被告知‘阻止它’或‘殺死它’。” UCSF Helen Diller家庭綜合癌癥中心的成員、細胞和分子藥理學(xué)主席Lim說，“我們希望增加治療細胞做出決定的細微差別和復(fù)雜性。”
在過去的十年里，嵌合抗原受體(CAR) T細胞作為一種治療癌癥的有效方法一直備受關(guān)注。在CAR T細胞療法中，免疫系統(tǒng)細胞從病人的血液中提取出來，在實驗室中進行操作，使其表達一種特定的受體，這種受體能識別癌細胞上非常特殊的標(biāo)記或抗原。
雖然科學(xué)家已經(jīng)證明CAR T細胞在白血病和淋巴瘤等血癌中非常有效，有時甚至是治愈性的，但到目前為止，這種方法在乳腺癌、肺癌或肝癌等實體腫瘤中效果并不好。這些實體癌癥中的細胞通常與其他組織中的正常細胞具有相同的抗原，這就帶來了CAR T細胞可能通過靶向健康器官而產(chǎn)生脫靶效應(yīng)的風(fēng)險。同時，實體腫瘤也經(jīng)常會產(chǎn)生抑制CAR T細胞作用的微環(huán)境。
對Lim來說，細胞類似于一個分子計算機，可以感知環(huán)境，然后整合信息來做出決定。他說，由于實體瘤比血癌更復(fù)雜，“你必須制造更復(fù)雜的產(chǎn)品”來對抗它們。
在細胞系統(tǒng)研究中——由Ruth Dannenfelser博士和Gregory Allen博士領(lǐng)導(dǎo)，前者是Troyanskaya在普林斯頓團隊的研究生，后者是Lim實驗室的臨床研究員——研究人員探索了公共數(shù)據(jù)庫，檢查了正常細胞和腫瘤細胞中超過2300個基因的表達譜，看看哪種抗原可以幫助區(qū)分兩者。研究人員使用機器學(xué)習(xí)技術(shù)得出了可能的結(jié)果，并觀察哪些抗原聚集在一起。
基于這種基因表達分析，Lim、Troyanskaya和同事將布爾邏輯應(yīng)用于抗原組合，以確定它們是否能顯著提高T細胞識別腫瘤的能力，同時忽略正常組織。例如，使用布爾體或非布爾體，腫瘤細胞可以通過標(biāo)記“A”或“B”與正常組織區(qū)分，而不能通過標(biāo)記“C”區(qū)分，其中“C”是只在正常組織中發(fā)現(xiàn)的抗原。
為了將這些指令編碼到T細胞中，研究人員使用了一種稱為synNotch的系統(tǒng)，這是一種可定制的分子傳感器，可以讓合成生物學(xué)家對細胞的編碼進行微調(diào)。synNotch是Lim實驗室于2016年開發(fā)的一種受體，可以被設(shè)計用來識別大量的靶抗原。synNotch的輸出反應(yīng)也可以被編程，這樣，一旦抗原被識別，細胞就會執(zhí)行一系列反應(yīng)中的任何一種。
為了證明研究人員收集的數(shù)據(jù)的潛在有效性，研究小組使用synNotch對T細胞進行編程，以殺死腎癌細胞，這些細胞表達一種被稱為CD70和AXL的抗原的獨特組合。雖然CD70也存在于健康的免疫細胞中，而AXL也存在于健康的肺細胞中，但T細胞在經(jīng)過改造的synNotch和邏輯門后，只殺死了癌細胞而不殺死健康細胞。
Troyanskaya說:“癌癥的大數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域和細胞工程領(lǐng)域在過去幾年都出現(xiàn)了爆炸式發(fā)展，但這些進展還沒有結(jié)合起來。”“治療細胞的計算能力與機器學(xué)習(xí)方法相結(jié)合，使越來越豐富的癌癥基因組和蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)得到切實可行的利用。”
由前加州大學(xué)舊金山分校研究生Jasper Williams領(lǐng)導(dǎo)的這項研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志，展示了多個synNotch受體是如何被串聯(lián)起來，從而創(chuàng)造出一系列復(fù)雜的癌癥識別回路。由于synNotch能夠以“即插即用”的方式激活所選基因的表達，這些組件可以以不同的方式連接起來，創(chuàng)建具有不同布爾功能的電路，從而允許對患病細胞進行精確識別，并在這些細胞被識別時做出一系列反應(yīng)。
Lim說:“這項工作本質(zhì)上是一本細胞工程手冊，它為我們提供了如何構(gòu)建不同類別的治療性T細胞的藍圖，這些T細胞可以識別癌細胞上可能存在的幾乎任何一種組合抗原模式。”
例如,synNotch受體可以改造,因此當(dāng)它識別抗原時，細胞制造第二個synNotch，可以識別B細胞,進而誘發(fā)能識別抗原C的CAR表達。結(jié)果是一個T細胞，需要這三種抗原的存在引發(fā)死亡。在另一個例子中，如果T細胞遇到了存在于正常組織而非癌癥組織中的抗原，一個具有非功能的synNotch受體可以被編程使攜帶它的T細胞死亡，使正常細胞免受攻擊和可能的毒性作用。
在《科學(xué)》雜志的論文中，使用像這樣復(fù)雜的synNotch配置，Lim和同事表明他們可以選擇性地殺死攜帶不同黑色素瘤和乳腺癌組合標(biāo)記的細胞。此外，當(dāng)攜帶s synNotch的T細胞被注射到攜帶兩種不同抗原組合的相似腫瘤的小鼠體內(nèi)時，T細胞有效而精確地定位了它們被設(shè)計用來檢測的腫瘤，并可靠地執(zhí)行了科學(xué)家設(shè)計的細胞程序。
Lim的團隊目前正在探索如何將這些回路用于CAR T細胞來治療膠質(zhì)母細胞瘤，這是一種侵襲性的腦癌，幾乎總是致命，常規(guī)療法毫無辦法。
“你不只是在尋找一個魔法子彈目標(biāo)。你要利用所有的數(shù)據(jù)。” Lim 說，“我們需要梳理所有可用的癌癥數(shù)據(jù)，以找到明確的癌癥組合特征。如果我們能做到這一點，那么就可以開始使用這些更智能的細胞，真正利用復(fù)雜的生物學(xué)計算技術(shù)，并對抗擊癌癥產(chǎn)生真正的影響。”
