Nieuwe cryo-EM-bevindingen kunnen een revolutie teweegbrengen in het ontwerp van T-cel-immunotherapie

Nieuwe cryo-EM-bevindingen kunnen een revolutie teweegbrengen in het ontwerp van T-cel-immunotherapie

Een van de meest opwindende ontwikkelingen in de kankerbehandeling van de afgelopen tien jaar is de ontwikkeling van T-cel-immuuntherapieën, die het eigen immuunsysteem van een patiënt trainen om gevaarlijke cellen te herkennen en aan te vallen. Maar onderzoekers zijn er tot nu toe niet in geslaagd een alomvattend inzicht te krijgen in hoe ze daadwerkelijk werken. Dit bracht een aanzienlijke beperking met zich mee, want hoewel T-cel-immunotherapieën zeer effectief zijn bij bepaalde vormen van kanker, zijn ze bij de meeste daarvan ineffectief – en de redenen hiervoor zijn onduidelijk. Je begrijpt hetProcedurezou een veel grotere groep kankerpatiënten ten goede kunnen komen.

Nu hebben onderzoekers van de Rockefeller University belangrijke details onthuld over de T-celreceptor (TCR), die ingebed is in het celmembraan en essentieel is voor T-celtherapieën. Met behulp van cryo-EM om het eiwit in beeld te brengen in een biochemische omgeving die zijn natuurlijke omgeving nabootst, hebben onderzoekers van het Laboratorium voor Moleculaire Elektronenmicroscopie ontdekt dat de receptor een soort grabbelton is die openspringt wanneer deze wordt gepresenteerd met een antigeen of een soortgelijk verdacht deeltje. Deze ontdekking is in tegenspraak met alle eerdere cryo-EM-studies van het complex.

De nieuwe bevinding, gepubliceerd inCommunicatie over de natuurheeft het potentieel om T-celtherapieën te verfijnen en uit te breiden.

“Dit nieuwe, fundamentele begrip van hoe het signaalsysteem werkt, kan helpen bij het opnieuw ontwerpen van de volgende generatie behandelingen”, zegt hoofdauteur Ryan Notti, klinisch instructeur in het laboratorium van Walz en bijzonder universitair hoofddocent op de afdeling geneeskunde van het Memorial Sloan Kettering Cancer Center, waar hij patiënten behandelt met sarcomen, of kankers die ontstaan ​​in zacht weefsel of bot.

"De T-celreceptor is eigenlijk de basis van vrijwel alle oncologische immuuntherapieën, dus het is opmerkelijk dat we het systeem gebruiken maar geen idee hebben hoe het eigenlijk werkt - en dat is waar fundamentele wetenschap om de hoek komt kijken", zegt Walz, een wereldwijde expert op het gebied van cryo-EM-beeldvorming. “Dit is een van de belangrijkste werkstukken die ooit uit mijn laboratorium zijn voortgekomen.”

Activering van T-cellen

Het laboratorium van Walz is gespecialiseerd in de visualisatie van macromoleculaire complexen, met name celmembraaneiwitten, die interacties tussen de binnenkant en de buitenkant van de cel bemiddelen. De TCR is zo'n complex. Deze gecompliceerde multiproteïnestructuur maakt het mogelijk dat T-cellen antigenen herkennen en erop reageren die worden gepresenteerd door menselijk leukocytantigeen (HLA)-complexen van andere cellen. T-celtherapieën hebben van deze reactie geprofiteerd om het eigen immuunsysteem van de patiënt te betrekken bij de strijd tegen kanker.

Maar hoewel de componenten van de TCR al tientallen jaren bekend zijn, zijn de eerste stappen in de activering ervan onbekend gebleven. Als arts en wetenschapper raakte Notti gefrustreerd door deze kennislacune: veel van zijn sarcoompatiënten profiteerden niet van de voordelen van T-cel-immuuntherapieën, en hij wilde begrijpen waarom.

Door dit te bepalen zouden we kunnen begrijpen hoe de informatie van buiten de cel, waar deze antigenen door HLA’s worden gepresenteerd, de binnenkant van de cel bereikt, waar de signalering de T-cel activeert.”

Ryan Notti, Rockefeller Universiteit

Notti, die zijn Ph.D. Hij behaalde zijn doctoraat in structurele microbiologie bij Rockefeller voordat hij zijn focus verlegde naar de oncologie en stelde voor dat Walz dit zou onderzoeken.

Van op maat gemaakte membranen tot verbeterde immuuntherapieën en vaccins

De groep van Walz is gespecialiseerd in het ontwikkelen van op maat gemaakte membraanomgevingen die tot doel hebben de natuurlijke omgeving van bepaalde membraaneiwitten na te bootsen. “We kunnen de biochemische samenstelling, de dikte van het membraan, de spanning en kromming, de grootte veranderen – allerlei parameters waarvan we weten dat ze invloed hebben op het ingebedde eiwit”, zegt Walz.

Voor het onderzoek wilden de onderzoekers een eigen omgeving voor de TCR creëren en observeren hoe deze zich gedraagt. Om dit te doen plaatsen ze de receptor in een nanoschijf, een klein schijfvormig stukje membraan dat in oplossing wordt gehouden door een steigereiwit dat zich rond de rand van de schijf wikkelt. Het was geen gemakkelijke taak; “Het was een uitdaging om alle acht deze eiwitten goed in de nanoschijf te integreren”, zegt Notti.

Al het structurele werk aan de TCR tot nu toe is gedaan in wasmiddel, dat de neiging heeft het membraan los te maken van het eiwit. Dit was de eerste studie waarbij het complex opnieuw in een membraan werd ingebouwd, merkt Walz op.

Vervolgens begonnen ze met cryo-EM-beeldvorming. Deze beelden lieten zien dat de T-celreceptor in rust een gesloten, compacte vorm had. Eenmaal geactiveerd door een antigeenpresenterend molecuul, opende het zich en strekte het zich uit, alsof het zijn armen wijd spreidde.

Dat was een diepe verrassing. “De gegevens die aan het begin van dit onderzoek beschikbaar waren, toonden aan dat dit complex in rusttoestand open en uitgebreid was”, legt Notti uit. "Voor zover iedereen wist onderging de T-celreceptor geen enkele conformationele verandering toen hij zich aan deze antigenen bond. Maar we ontdekten dat hij wel opensprong, als een soort jack-in-the-box."

De onderzoekers vermoeden dat de combinatie van twee sleutelmethoden hun nieuwe perspectief mogelijk maakte. Eerst hebben ze de juiste membraanlipidencocktail samengesteld om de TCR's te reproducerenin vivoOmgeving. En ten tweede brachten ze de receptor terug naar deze membraanomgeving met behulp van nanoschijven vóór cryo-EM-analyse. Ze ontdekten dat een intact membraan cruciaal is omdat het de TCR op zijn plaats houdt totdat deze wordt geactiveerd. Door het membraan met een schoonmaakmiddel te verwijderen, hadden eerdere onderzoeken per ongeluk de grendel van de jack-in-the-box losgemaakt, waardoor deze voortijdig opensprong.

“Het was belangrijk dat we een lipidenmengsel gebruikten dat vergelijkbaar was met dat van het oorspronkelijke T-celmembraan”, zegt Walz. “Als we alleen een modellipide hadden gebruikt, zouden we deze gesloten rusttoestand ook niet hebben gezien.”

De onderzoekers zijn enthousiast over het potentieel van hun bevindingen voor het optimaliseren van therapieën op basis van T-celreceptoren. “Het herontwerpen van de volgende generatie immuuntherapieën is een prioriteit in termen van onvervulde klinische behoeften”, zegt Notti. "Adoptieve T-celtherapieën worden bijvoorbeeld met succes gebruikt om bepaalde zeer zeldzame sarcomen te behandelen. Je zou je dus kunnen voorstellen dat we onze bevindingen zouden gebruiken om de gevoeligheid van deze receptoren opnieuw te ontwerpen door hun activeringsdrempel aan te passen."

“Deze informatie kan ook worden gebruikt voor de ontwikkeling van vaccins”, voegt Walz toe. "Mensen op dit gebied kunnen nu onze structuren gebruiken om verfijnde details te zien over de interacties tussen verschillende antigenen gepresenteerd door HLA- en T-celreceptoren. Deze verschillende vormen van interactie kunnen implicaties hebben voor de manier waarop de receptor werkt - en manieren om deze te optimaliseren."

Bronnen: