Синтетические рецепторы создают новые возможности для клеточной терапии

В Nature опубликованы результаты масштабной работы ученых из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и Вашингтонского университета в Сиэтле, которые могут найти применение в лечении рака, аутоиммунных и инфекционных заболеваний. Разработан новый вид синтетических рецепторов для терапевтических клеток, позволяющих регулировать транскрипцию генов и активность сигнальных путей в клетках через связывание растворимых лигандов.

Как правило, рецепторы терапевтических клеток взаимодействуют с мишенями, закрепленными на поверхности других клеток. В то же время, например, активность клеток иммунной системы управляется растворимыми молекулами, свободно плавающими в межклеточном пространстве, такими как цитокины. Возможность активировать терапевтические клетки в зависимости от наличия этих специфических сигналов обеспечит более точное и безопасное управление активностью клеток, которые должны уничтожить опухоль или подавить развитие аутоиммунной болезни.

Например, CAR T-иммунотерапия часто вызывает побочные эффекты из-за неспецифического связывания со здоровыми клетками, что усугубляется постоянной и высокой цитотоксической активностью CAR T-клеток. Новый вид рецепторов — синтетические рецепторы с внутримембранным протеолизом (synthetic intramembrane proteolysis receptors, SNIPR) — позволил получить CAR T-клетки, которые активируются только при связывании с таргетными свободными факторами в микроокружении опухоли, что делает их эффект локализованным и контролируемым по силе воздействия.

Принципиальное устройство SNIPR авторы описали в статье 2022 года. Они основаны на сенсоре класса synNotch — прототипных синтетических рецепторах на базе белков Notch — рецепторов одноименного сигнального пути. (synNotch также были разработаны в Калифорнийском университете при участии Коула Ройбала, одного из соавторов новой работы.) Связывание лиганда вызывает расщепление рецептора и высвобождение внутриклеточного домена, который затем перемещается в ядро и действует как транскрипционный фактор. Аналогичным образом работают synNotch, и они уже используются для управления активностью терапевтических Т-клеток. В составе этих рецепторов можно варьировать как лиганды, так и внутриклеточную часть, таким образом получая новые комбинации входящих сигналов и активируемых генов. 

Однако рецепторы synNotch имеют ряд недостатков: они содержат компоненты, не свойственные человеческим клеткам (для исходной конструкции был использован мышиный Notch1), их сложно проектировать, они достаточно крупные, и они, как и Notch, не реагируют на растворимые лиганды.

Авторы полностью реконструировали synNotch и получили SNIPR — компактный и легко настраиваемый каркас, который позволяет активировать широкое разнообразие генов в ответ на различные сигналы. SNIPR создаются путем комбинирования регуляторных участков: внеклеточного домена (ВД), трансмембранного домена (ТД) и околомембранного домена (ОД), к которому присоединен транскрипционный фактор. ВД влияет на параметры активации рецептора, его экспрессию и специфичность связывания с лигандом. Также сила активации зависит от аминокислотного состава ТД, а выбор ОД может сильно влиять на результирующий выходящий сигнал.

SNIPR имеют низкую базовую активность и высокую степень активации, что повышает безопасность. И главное, в отличие от рецепторов Notch, SNIPR способны реагировать не только на лиганды, закрепленные на поверхности других клеток, но и растворимые лиганды, включая цитокины и хемокины.

Для оценки клинического потенциала авторы разработали SNIPR против распространенных опухолевых цитокинов — TGF-β и VEGFa. Оба исследованных класса SNIPR активно и специфично реагировали на лиганды, при этом аналогичные рецепторы synNotch в присутствии этих лигандов не активировались. SNIPR могут реагировать и на биоортогональные (не встречающиеся в организме) лиганды.

Авторы рассмотрели возможность применения SNIPR для повышения контролируемости CAR T-терапий. Например, мышам с меланомой вводили CAR T-клетки с механизмом SNIPR→CAR, у которых противоопухолевая активность включалась только при активации SNIPR через TGF-β или VEGF. У мышей замедлился рост опухоли, при этом они не теряли вес. В то же время классическая CAR T-терапия вызывала истощение, иногда сама терапия приводила к летальному исходу. В CAR T-клетках, несущих SNIPR, CAR (химерный рецептор антигена) не экспрессируется, пока клетки не достигнут целевой локации, то есть опухоли, что повышает безопасность терапии. Важным аспектом при дизайне SNIPR является необходимость надежной активации, которая позволяет достичь достаточного уровня экспрессии CAR для эффективного уничтожения раковых клеток.

«Это похоже на двухфакторную аутентификацию для иммунотерапии», — говорит соавтор статьи Дэвид Бейкер, профессор биохимии в Медицинской школе Вашингтонского университета, который получил Нобелевскую премию по химии 2024 года за свою работу в области вычислительного проектирования белков. — Клетки должны находиться в определенной среде, чтобы иметь возможность запустить иммунный ответ, который сам по себе требует распознавания раковых клеток».

При связывании лиганда рецепторы SNIPR кластеризуются и захватвываются в эндосомы, где и происходит их расщепление с высвобождением транскрипционного фактора. Эффективность активации SNIPR зависела от pH, так как протеолиз внутри эндосом происходит только в кислой среде.

Тонкая настройка активации SNIPR возможна при дизайне рецепторов с разной специфичностью и силой связывания лигандов. Высокоспецифичные SNIPR активировали единичные сигнальные пути, менее специфичные запускали более широкую сигнальную реакцию. Такая вариативность предоставляет возможность для инженерии систем с разнообразными терапевтическими эффектами для разных контекстов.

Более сложный подход к использованию SNIPR включает использование дополнительных внешних регуляторов. Например, CAR T-клетки можно настроить так, чтобы их цитотоксическая активность повышалась в непосредственной близости от опухоли и искусственно подавлялась, если клетки находятся в неподходящей области или если у пациента синдром выброса цитокинов. Авторы разработали модель такого инструмента — CAR T, которые активируются только при условии отсутствия рядом дополнительного регуляторного лиганда, названного orthoTuner.

SNIPR, активируемые свободными молекулами во внеклеточной среде, могут стать универсальным инструментом для биоинженерии. Точный контроль над транскрипционным ответом клеток на внешние и внутренние стимулы открывает возможности для создания клеточных систем с запрограммированными терапевтическими функциями. Хотя в этом исследовании рассматривались только T-клетки, инструментарий модульных рецепторов может найти намного более широкое применение в синтетической биологии, фундаментальной биологии и клеточной терапии.

Т-клетки с рецепторами Co-STAR атакуют опухоли с низкой плотностью антигенов

Альфа и Розетта: начало и конец великой задачи биологии