В борьбе с раком появился новый инструмент, который изменил подход к лечению. Терапия CAR T-клетками, впервые одобренная для клинического применения в 2017 году, использует собственные модифицированные иммунные клетки пациента для борьбы с раком. Доказано, что он особенно эффективен против некоторых типов лимфомы.

Его успех представляет собой продолжающийся рост иммунотерапии, класса методов лечения, которые усиливают или изменяют иммунную систему для борьбы с болезнями. Теперь терапия CAR Т-клетками и другие подобные методы лечения дают новую надежду в борьбе с некоторыми из наших самых сложных заболеваний.

Но разработка этих методов лечения возможна только благодаря ученым, посвятившим свою карьеру расширению нашего понимания иммунной системы. Джун Хуан, доцент кафедры молекулярной инженерии Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета, является одним из таких исследователей.

Вооруженный новыми, высокотехнологичными инструментами, его работа может иметь далеко идущие последствия не только для лечения рака, но и для инфекций и аутоиммунитета в более широком смысле.

Новое понимание ведет к новым методам лечения

Работа Хуанга была описана как молекулярная иммунология с уклоном в биоинженерию. Он изучает фундаментальную механику иммунной системы, уделяя особое внимание Т-клеткам (разновидность лейкоцитов). Он и его команда используют комбинацию передовой микроскопии, специально разработанных инструментов и изобретательности для изучения иммунологии на молекулярном уровне и применяют эти знания для создания новых методов лечения.

Хуан уже применил свои исследования для разработки микроскопических ловушек, которые ловят и убивают коронавирус , для решения давно остававшихся без ответа вопросов о клеточном метаболизме , для разработки нового конвейера молекулярной визуализации с машинным обучением, который можно использовать при разработке вакцины, и для создания преобразующих методов для идентификации CAR T. -клетки . С каждым продвижением Хуан становится все ближе к цели, которую он поставил в 2009 году во время обучения в докторантуре.

«Я хочу вылечить рак и ВИЧ — две основные болезни, которые мы пока не можем победить», — сказал он. «Большинство людей, естественно, думают, что это очень разные заболевания. Но для нас лечение обоих может быть проблемой Т-клеток. ВИЧ заражает Т-клетки CD4 и парализует иммунную систему человека, в то время как микроокружение опухоли вызывает дисфункцию Т-клеток и ингибирует гибель Т-клеток. раковых клеток. Если мы сможем эффективно восстановить функции Т-клеток, мы сможем лечить оба заболевания, несмотря на их различную природу».

Пока не увижу, не поверю

Иммунная система является одной из самых сложных систем в организме человека. Внутри него миллиарды узкоспециализированных клеток размером всего в несколько микрометров работают вместе, чтобы отразить постоянный шквал патогенов, таких как вирусы и бактерии. С таким количеством событий исследователям еще предстоит распутать некоторые из более сложных механизмов нашей иммунной системы. В случае с CAR Т-клеточной терапией, например, мы не совсем понимаем, почему она эффективна против одних форм рака, но не против других.

Хуанг стремится заполнить пробелы в нашем понимании, используя несколько современных технологий и собственные устройства для изучения иммунных клеток на молекулярном уровне. Его результаты уже открыли новые двери в клеточных исследованиях.

В мае 2020 года лаборатория Хуанга объединила общедоступное программное обеспечение и методы машинного обучения, чтобы создать конвейер для анализа данных решетчатой ​​световой микроскопии. Решетчатая световая микроскопия обеспечивает трехмерное видео клеток с высоким разрешением. Конвейер Хуанга, многомерный анализ решетчатой ​​световой микроскопии (LaMDA), эффективно обрабатывает огромные объемы данных, полученных с помощью решетчатой ​​световой микроскопии, позволяя исследователям использовать отдельные молекулы в качестве точек данных. LaMDA может иметь множество медицинских применений, таких как тестирование лекарств и разработка вакцин, в дополнение к расширению знаний о биологии Т-клеток.

В июне 2021 года Хуанг и его команда использовали комбинацию генетически закодированных биосенсоров, машинного обучения и микроскопии сверхвысокого разрешения, чтобы визуально наблюдать гликолиз — процесс, посредством которого клетки метаболизируют глюкозу — на молекулярном уровне. Они обнаружили, что когда клетки двигаются и сокращаются, они потребляют больше энергии и поглощают глюкозу через ранее неизвестный рецептор — оба эти открытия могут способствовать дальнейшему изучению широкого спектра заболеваний. Например, если бы врачи могли ингибировать гликолиз в эндотелиальных клетках легких, они могли бы уменьшить последствия острого респираторного синдрома у пациентов с COVID-19.

Хуанг считает, что машинное обучение будет играть центральную роль в улучшении нашего понимания иммунной системы, помогая таким исследователям, как он сам, обрабатывать огромные объемы данных, генерируемых изображениями сверхвысокого разрешения. Говоря о своей работе, Хуанг отмечает, что его инструменты служат средством достижения цели — что он использует технологии не ради них самих, а для того, чтобы отвечать на вопросы об иммунологии и, в конечном счете, разрабатывать полезные методы лечения. Это философия, к которой он приземлился во время своего постдокторского обучения.

«Я работал в лаборатории иммунологии, и у меня было много сотрудничества с докторами медицины и докторами медицинских наук», — сказал Хуанг. «Этот опыт изменил мое мышление. Он заставил меня задуматься: «Что врачи на самом деле считают важным? Что на самом деле нужно пациентам? Как мы можем соединить фундаментальную науку, фундаментальные исследования, чтобы обеспечить это?» Как инженер я хочу этим заниматься».

Ловушка коронавируса

В начале 2020 года, когда впервые возникла пандемия коронавируса, исследователи всего мира обратили свое внимание на преодоление кризиса. Для Хуанга и его команды это был шанс применить свои передовые исследования в области иммунологии к новой угрозе. Хотя они ранее не изучали COVID-19, иммунологические исследования по своей природе могут быть быстро адаптированы к возникающим заболеваниям. В этом случае исследователи сосредоточили свое исследование экзосом, представляющих собой небольшие пузырьки, выделяемые раковыми клетками, которые подавляют иммунную систему, в сторону SARS-CoV-2. Команда полагала, что они могут использовать тот же механизм для борьбы с вирусом, вызывающим COVID.

Постдокторант Мин Чен и аспирант Джилл Розенберг возглавили проект и начали с изучения механизмов связывания SARS-CoV-2, шиповидного белка на его поверхности, который связывается с белком рецепторов ACE2 на клетках человека.

Затем команда разработала наночастицы с высокой плотностью белков ACE2 на их поверхности, создав клеточную приманку, перед которой не мог устоять ни один вирус COVID. Они также включили в конструкцию нейтрализующие антитела, чтобы, как только вирус был захвачен, иммунные клетки организма быстро поглотили и уничтожили ловушку, вирус и все остальное.

Ранние испытания на мышах показали, что ловушки эффективны для сдерживания и уничтожения вируса. Затем они проверили ловушки, используя пару пожертвованных человеческих легких, подключенных к перфузионному устройству и вентилятору. Они обнаружили, что наноловушки способны полностью блокировать заражение легких вирусом.

В настоящее время команда изучает способы применения их наноловушек к другим вариантам вируса и начала переговоры с фармацевтическими компаниями о лицензировании технологии.

От фундаментальной науки до клинического лечения наноловушки, разработанные Хуангом и его командой, представляют потенциал его исследований.

Глядя в будущее, Хуан планирует еще больше адаптировать технологии в своем исследовании иммунологии и разработать иммунотерапию. Хуанг надеется, что с такими технологиями он когда-нибудь достигнет цели, которую поставил так много лет назад.