Borstkanker-op-een-chip voor het testen van immunotherapie medicijnen

Er zijn veel mechanismen waarmee het lichaam reageert op vreemde indringers. Een daarvan betreft de T-cellen van het immuunsysteem, die een aantal verschillende eiwitten op hun oppervlak hebben die ‘checkpoint-eiwitten’ worden genoemd. Deze checkpoint-eiwitten binden aan eiwitten op het oppervlak van andere cellen en kunnen resulteren in stimulatie of onderdrukking van T-celactiviteit. Normaal gesproken zullen oppervlakte-eiwitten op vreemde of binnendringende cellen een stimulatie van T-celactiviteit tegen deze cellen produceren, terwijl T-celonderdrukking een ingebouwd mechanisme is om te voorkomen dat het immuunsysteem de lichaamseigen normale cellen aanvalt.

Tumorcellen kunnen het immuunsysteem echter soms te slim af zijn door oppervlakte-eiwitten te vertonen die binden met T-cel checkpoint-eiwitten om onderdrukking van de T-celactiviteit te veroorzaken. In sommige gevallen zorgt de interactie van deze tumoroppervlakte-eiwitten met T-cellen er zelfs voor dat de T-cellen scheuren. In de afgelopen jaren hebben wetenschappers geprobeerd “checkpoint-remmers” te ontwikkelen die deze onderdrukkende checkpoint-interacties zullen tegengaan om de immuunrespons van het lichaam tegen tumorcellen opnieuw te activeren. Een van deze medicijnen is door de Amerikaanse FDA goedgekeurd om gemetastaseerd melanoom te behandelen; andere zijn beschikbaar of in ontwikkeling om andere maligniteiten te behandelen.

Ondanks deze vorderingen blijft het echter moeilijk om te bepalen welke kankerpatiënten waarschijnlijke kandidaten zijn voor dit type therapie en welke geneesmiddelen het meeste potentieel hebben. Het ontwikkelen van een methode om deze uitdagingen aan te pakken, zou een belangrijke rol spelen bij het bepalen van de veiligste en meest effectieve medicijnen voor kankerpatiënten, terwijl tegelijkertijd tijd en geld wordt bespaard. Om een ​​dergelijke methode praktisch te laten zijn voor klinisch gebruik, zou het in staat moeten zijn om snel grote aantallen potentiële immunotherapiegeneesmiddelen tegen levende tumorcellen te testen voor nauwkeurige, gemakkelijk te analyseren gegevens.

Een samenwerkingsteam van het Terasaki Institute for Biomedical Innovation (TIBI) heeft met succes een dergelijk systeem ontworpen en getest. Ze begonnen met het kweken van bolvormige aggregaten van borstkankercellen in een op maat gemaakte, 3D-geprinte, transparante chip met conische microwells. Deze microwells zijn ontworpen voor optimale groei en stabiliteit van de cellulaire bollen. Tests uitgevoerd op de cellulaire bollen van de microwells bevestigden de levensvatbaarheid van de cellen en hun productie van T-cel-de-activerende oppervlakte-eiwitten.

“De eigenschappen van onze op microwells gebaseerde chip zijn de sleutel tot onze succesvolle ontwikkeling van een immunoactief weefselmodel”, zegt Wujin Sun, Ph.D., van het team van het Terasaki Institute. “De doorzichtigheid van de chip maakt directe microscopische observatie mogelijk. En dankzij het ontwerp kunnen grote volumes worden getest, wat zich goed leent voor de snelle screening van immunotherapeutische geneesmiddelen.”

Om de effectiviteit van checkpoint-remmers te testen bij het activeren van de antitumorrespons van T-cellen, overwoog het team vervolgens hoe een T-cel zich normaal gedraagt ​​tijdens activering. Wanneer een T-cel wordt gestimuleerd om cellulaire indringers aan te vallen, scheidt hij eiwitten af ​​die cytokines worden genoemd, die andere immuuncellen naar de invasielocatie mobiliseren en de cellen stimuleren om zich te vermenigvuldigen en de indringers te vernietigen. Meting van deze cytokinen kan daarom de mate van activering van een T-cel aangeven.

Het team creëerde vervolgens een efficiënt, geautomatiseerd systeem om cytokineniveaus te meten met behulp van hun met borstkanker beladen microwell-chip. Experimenten met dit systeem werden uitgevoerd met anti-checkpoint-eiwitgeneesmiddelen; de resultaten toonden aan dat bij incubatie van de borstkankercellen met de T-cellen de cytokineproductie werd verhoogd door het gebruik van de medicijnen, wat hun doeltreffendheid aantoont bij het activeren van de T-cellen.

Een andere manier waarop het team hun borstkanker-chip gebruikte, was om het effect van de borstkankercellen op gestimuleerde T-cellen te beoordelen. De T-cellen werden fluorescent gelabeld en toegevoegd aan de borstkankercellen in de microwells; de transparantie van de chip maakte directe observatie van hun cellulaire interactie mogelijk met behulp van fluorescentiemicroscopie. Deze borstkankercellen veroorzaken normaal gesproken het scheuren van de T-cellen, maar experimenten uitgevoerd met checkpoint-remmers toonden aan dat de geneesmiddelen de levensvatbaarheid van de T-cellen in de culturen verhoogden, wat visueel aantoont hoe ze de effecten van T-celruptuur door tumorcelinteractie kunnen tegengaan. .

De borstkankerchip werd ook gebruikt voor de directe observatie van hoe de T-cellen de cellulaire bollen van borstkanker infiltreerden; dit type infiltratie is een maat voor de antitumoractiviteit en levensvatbaarheid van een T-cel. Na het labelen van elke groep cellen met afzonderlijke kleurstoffen en ze te mengen in de microwells van de chip, kon T-celinfiltratie direct worden gevisualiseerd met behulp van fluorescentiemicroscopie met hoge resolutie. Experimenten uitgevoerd met checkpoint-remmers gaven aan dat er een verhoogd aantal T-cellen was en een diepere penetratie in de borstkankercellen in aanwezigheid van de medicijnen.

Samenvattend waren de TIBI-onderzoekers in staat om robuuste en efficiënte methoden te ontwerpen voor het karakteriseren van de interactie tussen tumor- en immuuncellen en voor snelle, grootschalige en klinisch relevante manieren om immunotherapeutische geneesmiddelen tegen tumorcellen te screenen. De microwell-chip en het bijbehorende apparaat kunnen ook worden gebruikt om andere typen tumorcellen en individuele patiëntcellen op te nemen om de respons van de patiënt te optimaliseren en voor het screenen en ontwikkelen van aanvullende geneesmiddelen tegen kanker.

“Manieren creëren om klinische beslissingen en gepersonaliseerde geneeskunde voor patiënten te optimaliseren, is een topdoel van ons instituut”, zegt Ali Khademhosseini, Ph.D., directeur en CEO van het Terasaki Institute. “Dit werk is een belangrijke stap om dat doel te bereiken op het gebied van immunotherapie voor kanker.”