Biotechnologisches Werkzeug entlarvt Krebszellen

Krebszellen können der Immunabwehr des Körpers entgehen, indem sie eine normalerweise hilfreiche und allgegenwärtige Gruppe von Molekülen ausnutzen, die als Mucine bekannt sind. Jetzt haben Stanford-Forscher ein Biomolekül entwickelt, das Muzine gezielt aus Krebszellen entfernt – eine Entdeckung, die bei zukünftigen Krebstherapien eine wichtige Rolle spielen könnte.

Muzine sind mit Zucker überzogene Proteine, deren Hauptfunktion darin besteht, den Körper gegen körperliche Angriffe und Krankheitserreger zu verteidigen. Aber Krebszellen können Muzine nutzen, um ihr Überleben zu sichern. Das Abschneiden von Mucinen aus Krebszellen ist eine plausible Therapie, aber Mucine kommen in jeder Zelle im Körper von Säugetieren in verschiedenen Formen vor, so dass ein wahlloser Angriff auf Mucine unvorhergesehene Nebenwirkungen haben könnte.

Die vom Stanford-geführten Forschungsteam entwickelte Lösung besteht im Wesentlichen aus einer enzymbasierten Schere, die aus einer Mucinase besteht – einem proteinschneidenden Enzym (Protease genannt), das spezifisch Mucine schneidet –, verschmolzen mit einem auf Krebszellen gerichteten Nanokörper (einem Antikörperfragment). ). Dieses zweiteilige Biomolekül zielt selektiv nur auf Mucine ab, die mit bestimmten Krebszellen assoziiert sind, und beschneidet diese.

Diese Studie, die an im Labor gezüchteten menschlichen Krebszellen und an Mäusen durchgeführt wurde, die menschlichen Brust- und Lungenkrebs simulierten, ergab, dass die Behandlung mit Biomolekülen das Tumorwachstum deutlich reduzierte und die Überlebensrate erhöhte. Ihre Ergebnisse wurden am 3. August veröffentlicht Naturbiotechnologiehaben breite Anwendungsmöglichkeiten, da Mucine mit vielen Krankheiten in Verbindung gebracht werden, darunter Mukoviszidose, Atemwegserkrankungen und Viren.

„Wir haben herausgefunden, dass wir diese Mucinase auf Krebszellen richten und damit Mucine aus diesen Krebszellen entfernen können, und dass es einen therapeutischen Nutzen gibt“, sagte die leitende Autorin Carolyn Bertozzi, Anne T. und Robert M. Bass-Professorin an der Stanford School der Geistes- und Naturwissenschaften.

Die Doktorandin Gabrielle „Gabby“ Tender ist Co-Hauptautorin der Studie zusammen mit zwei ehemaligen Forschern im Bertozzi-Labor – Kayvon Pedram, Gruppenleiterin am Janelia Research Campus des HHMI, und D. Judy Shon, Postdoktorandin am Caltech.

Wenn gute Muzine schlecht werden

Obwohl Krebszellen Mucine für schändliche Zwecke nutzen, sind Mucine im Allgemeinen gut. Aber wenn Mucine verderben, sind sie schrecklich.

„Muzine spielen im gesamten Körper eine wichtige Rolle, etwa bei der Bildung von Schleim in unserem Darm und unserer Lunge und beim Schutz vor Krankheitserregern“, sagte Tender. „Krebs steigert diesen natürlichen Prozess auf 11 und kapert die Funktionen von Muzinen, um sich selbst zu schützen und sich im Körper auszubreiten.“

Diese Studie untersuchte zwei Funktionen von Muzinen, die mit der Förderung des Fortschreitens von Krebs verbunden sind. Die erste hilft Zellen, in frei schwebenden Umgebungen mit „geringer Adhäsion“ zu überleben.

„Krebs bildet Metastasen und breitet sich im Körper aus – Krebszellen brechen ab, wandern in einen anderen Teil des Körpers und schlagen Wurzeln“, sagte Bertozzi. „Wandernde Krebszellen müssen in Umgebungen mit geringer Adhäsion überleben. Die meisten Zellen können das nicht, aber Zellen, die durch Muzine verändert wurden, können das.“

Die zweite Funktion besteht darin, an Checkpoint-Rezeptoren zu binden, bei denen es sich im Wesentlichen um Wachhunde des Immunsystems handelt, die Zellen im Körper inspizieren. Einige Krebszellen statten ihre Zelloberflächen mit Mucinen aus, die mit spezifischen Zuckern beschichtet sind, die besonders gut an diese Rezeptoren binden. Wenn dieses mit Zucker verzierte Mucin an Checkpoint-Rezeptoren bindet, zeigt es an, dass die Krebszelle keine Bedrohung darstellt und blockiert die Immunantwort des Körpers.

„Dies führt dazu, dass Immunzellen den Krebs ignorieren, anstatt ihn wie vorgesehen zu zerstören“, erklärte Tender.

Der Weg dorthin ist die halbe Miete

Das Mucin-suchende Biomolekül der Forscher besteht aus zwei miteinander verschmolzenen Teilen. Der erste Teil ist eine aus Bakterien stammende Mucinase, die Mucine spaltet. Der zweite Teil ist ein krebsspezifischer Nanokörper, der an ein entsprechendes Antigen auf Krebszellen bindet.

Der Nanokörper „parkt die Mucinase auf der Krebszelle“, sagte Bertozzi, Direktor der Baker Family von Sarafan ChEM-H. „Diese Technologie ist Teil unseres größeren Programms am Sarafan ChEM-H zu Proximity-basierten Medikamenten.“ Proximitätsbasierte Medikamente lenken interessante Biomoleküle in eine bestimmte Region, sodass eine gewünschte chemische Reaktion in der Nähe stattfinden kann.

Bertozzis Team hat bakterielle Proteasen, die Mucine spalten, eingehend untersucht. Diese „Mucinasen“ schneiden, wenn sie auf bestimmte Anordnungen von Peptiden (Aminosäuren) und Glykanen (Zuckern) in Mucinen treffen. Für diese Studie wählten die Forscher eine Mucinase namens StcE (ausgesprochen „klebrig“), die aus dem Bakterium E. coli stammt.

Bakterielle Enzyme werden bereits bei der Behandlung von Krebs eingesetzt, beispielsweise bei akuten lymphoblastischen Leukämien im Kindesalter. Allerdings wurden Mucinasen nicht als injizierbare Therapeutika getestet. Daher musste das Team überprüfen, ob die StcE-Mucinase funktioniert und sicher ist. Das Team testete die StcE-Mucinase an Mäusen und stellte fest, dass sie funktionierte, aber Mucine im gesamten Körper zerstörte, was die Notwendigkeit bestätigte, die Mucinase auf tumorassoziierte Mucine auszurichten.

Frühere Untersuchungen von Bertozzis Labor und anderen haben gezeigt, dass die Fusion von Antikörpern mit Enzymen deren Aktivität auf bestimmte Zellen ausrichten kann. Allerdings muss das Enzym so konstruiert werden, dass es etwas weniger gut funktioniert, sodass es nur in der Nähe seines Ziels schneidet. Viele Mutationen der StcE-Mucinase später erstellte das Team eine Version namens eStcE („engineered sticky“), die ihren Anforderungen entsprach.

Das Team wählte für sein Biomolekül einen Nanokörper namens 5F7 aus, da dieser gut untersucht ist und dem Antigen (HER2 genannt) entspricht, das mit Brust-, Eierstock- und anderen Krebsarten assoziiert ist. Die Forscher entwarfen zwei verschiedene Ausrichtungen der eStcE-Mucinase-HER2-Nanobody-Kombination und testeten jede auf Ausbeute, Stabilität, Mucinase-Aktivität und Bindungsfähigkeit. Die Orientierung mit der besten Leistung erhielt den Spitznamen αHER2-eStcE.

Als nächstes testeten die Forscher das αHER2-eStcE-Biomolekül in einer Reihe von Tests in Laborschalen, um festzustellen, ob es die Zielkrebszellen selektiv abtötet. Dann bestätigten sie in zwei verschiedenen Studien mit Mäusen, dass das Biomolekül funktionierte und ungiftig war. Das erste dieser Experimente simulierte metastasierten (sich ausbreitenden) Lungenkrebs und das zweite simulierte menschlichen Brustkrebs als Tumoren im Brustbereich von Mäusen.

Diese Studien zeigten, dass das αHER2-eStcE-Biomolekül sowohl gegen Mucine auf Tumoren als auch gegen metastasierende Zellen wirksam war. In den Studien an Mäusen stellten die Forscher fest, dass die Behandlung mit αHER2-eStcE das Krebswachstum deutlich reduzierte und die Überlebensrate im Vergleich zur unbehandelten Mäusegruppe erhöhte.

Zukünftige Richtungen

Wie nah bringt uns diese Studie an eine neue Krebstherapie für den Menschen? Näher, aber noch nicht da.

„Ein wichtiger nächster Schritt besteht darin, herauszufinden, ob wir eine vergleichbare zielgerichtete Mucinase mithilfe einer Protease herstellen können, die vom Menschen stammt“, sagte Bertozzi. „Die in dieser Studie untersuchte Substanz stammt nicht vom Menschen und birgt daher ein höheres Risiko einer unerwünschten Immunantwort.“

Tender arbeitet derzeit an der Entwicklung einer solchen aus Menschen stammenden Mucinase.

Obwohl weitere Forschung erforderlich ist, stellt diese Studie einen großen Fortschritt in der Krebsforschung dar.

„Wir haben jahrzehntelange Beweise von Krebspatienten und Experimenten, dass Mucine bei Krebs wichtig sind, aber wir konnten bisher nicht viel tun, um diese Mucine loszuwerden“, sagte Tender. „Wir waren begeistert, dass wir endlich einen Ansatz zum Abbau von Muzinen auf Krebszellen haben.“