По данным Американского онкологического общества, только в прошлом году более 600 000 человек в Соединенных Штатах умерли от рака. Неустанное стремление понять это сложное заболевание привело к прогрессу медицины в разработке методов лечения, которые являются менее инвазивными, но при этом высокоэффективными.

Иммунотерапия становится все более возможным решением. Иммунотерапия предполагает использование силы иммунной системы организма для борьбы с раковыми клетками. Исследователи из Инженерного колледжа нашли способ превратить процедуру лечения в революционную практику.

Ронг Тонг, доцент кафедры химического машиностроения, объединился с Вэньцзюнь «Ребекка» Цай, доцент кафедры материаловедения и инженерии, чтобы изучить метод иммунотерапии рака, который уже давно представляет интерес для исследователей.

В своей недавно опубликованной статье в журнале Science Advances Тонг и Цай подробно описали свой подход, который включает активацию иммунных клеток в организме и их перепрограммирование для атаки и уничтожения раковых клеток. Этот терапевтический метод часто реализуется с использованием белка цитокина . Цитокины — это небольшие белковые молекулы, которые действуют как межклеточные биохимические посланники и высвобождаются иммунными клетками организма для координации их реакции.

«Цитокины мощны и очень эффективны в стимулировании иммунных клеток для уничтожения раковых клеток», — сказал Тонг. «Проблема в том, что они настолько эффективны, что, если они свободно перемещаются по организму, они активируют каждую встреченную иммунную клетку, что может вызвать сверхактивный иммунный ответ и потенциально смертельные побочные эффекты».

Тонг и Цай в сотрудничестве с аспирантами химического машиностроения, материаловедения и инженерного дела разработали инновационный подход к использованию белков-цитокинов в качестве потенциального метода иммунотерапии. В отличие от предыдущих методов, их метод гарантирует, что цитокины, стимулирующие иммунные клетки, эффективно локализуются внутри опухолей в течение нескольких недель, сохраняя при этом структуру цитокинов и уровни реактивности.

Объединение усилий для уничтожения раковых клеток

Современные методы лечения рака, такие как химиотерапия, не могут отличить здоровые клетки от раковых. Когда человека, больного раком, лечат химиотерапией, лечение поражает все клетки его тела, что может привести к побочным эффектам, таким как выпадение волос и усталость.

Стимулирование иммунной системы организма для борьбы с опухолями является многообещающей альтернативой лечению рака. Доставка цитокинов может дать толчок иммунным клеткам опухоли , но чрезмерная стимуляция здоровых клеток может вызвать серьезные побочные эффекты.

«Недавно ученые определили, что цитокины можно использовать для активации опухолей и борьбы с ними, но они не знали, как локализовать их внутри опухоли, не подвергая при этом токсичности остальному организму», — сказал Тонг. «Инженеры-химики могут взглянуть на это с инженерной точки зрения и использовать свои знания, чтобы усовершенствовать и повысить эффективность цитокинов, чтобы они могли эффективно работать внутри организма».

Цель исследовательской группы — найти баланс между уничтожением раковых клеток в организме и сохранением здоровых клеток.

Для достижения этой цели Тонг и его ученики использовали свой опыт для создания специализированных частиц разных размеров, которые помогают определить, куда направляется лекарство. Эти микрочастицы предназначены для того, чтобы оставаться в среде опухоли после инъекции в организм. Цай и ее ученики работали над измерением свойств поверхности этих частиц.

«В области материаловедения и инженерии мы изучаем химию поверхности и механическое поведение материалов, таких как специализированные частицы, созданные для этого проекта», — сказал Цай. «Проектирование поверхности и определение характеристик, наряду с размером частиц , играют важную роль в контролируемой доставке лекарств , обеспечивая длительное присутствие лекарства и устойчивую терапевтическую эффективность».

Чтобы обеспечить успешную доставку лекарств, Тонг и его студенты-химики разработали новую стратегию, которая:

• Прикрепляет цитокины к этим новым микрочастицам, ограничивая вред цитокинов для здоровых клеток.
• Позволяет новым цитокинам, закрепленным на частицах, запускать иммунную систему и рекрутировать иммунные клетки для атаки раковых клеток.

«Наша стратегия не только сводит к минимуму вред, наносимый цитокинами здоровым клеткам, но и продлевает удержание цитокинов в опухоли», — сказал Тонг. «Это помогает облегчить набор иммунных клеток для целенаправленной атаки на опухоль».

Следующий шаг в этом процессе включает в себя объединение нового метода локализованной цитокиновой терапии с коммерчески доступными, одобренными Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) антителами, блокирующими контрольные точки, которые реактивируют подавленные опухолевые иммунные клетки, чтобы они могли дать отпор раковым клеткам. .

«Когда внутри тела возникает опухоль, иммунные клетки организма деактивируются раковыми клетками», — объяснил Тонг. «Одобренное FDA антитело, блокирующее контрольные точки, помогает «снять тормоза», которые опухоли накладывают на иммунные клетки, в то время как молекулы цитокинов «нажимают на газ», запуская иммунную систему и создавая армию иммунных клеток для борьбы с раковыми клетками. Эти два подхода работают вместе, чтобы активировать иммунные клетки».

В их исследовании было доказано, что сочетание антител контрольной точки с цитокином, закрепленным на частицах, успешно устраняет многие опухоли.

Инженерное влияние на лечение рака

Члены команды надеются, что их влияние на лечение иммунотерапией является частью более широкого движения к подходам к лечению рака, которые безвредны для здоровых клеток. По мнению команды, новый подход прикрепления цитокинов к частицам также может быть использован в будущем для доставки других типов иммуностимулирующих препаратов.

«Исследователи все еще ищут более безопасные и эффективные методы лечения рака», — сказал Тонг. «Эта мотивация заставляет нас разрабатывать новые технологии в этой области. Весь класс лекарств, которые используются для запуска иммунной системы в борьбе с раковыми клетками, по большей части еще не добился успеха.

«Наша цель — создать новые решения, которые позволят исследователям тестировать эти лекарства с существующими терапевтическими средствами, одобренными FDA, обеспечивая как безопасность, так и повышенную эффективность».

Цай сказал, что характер исследований в области лечения рака требует знаний в различных инженерных дисциплинах.

«Я рассматриваю этот проект как идеальное сочетание химической инженерии и материаловедения», — сказал Цай. «Первый фокусируется на синтезе и доставке лекарств, второй – на применении передовых характеристик материалов. Это сотрудничество не только ускоряет исследования в области иммунотерапии, но и способно изменить лечение рака».