In 1989, twee niet-gegradueerde studenten aan de Vrije Universiteit van Brussel werden gevraagd om bevroren bloedserum van kamelen te testen, en stuitte op een voorheen onbekend soort antilichaam. Het was een verkleinde versie van een menselijk antilichaam, bestaat slechts uit twee zware eiwitketens, in plaats van twee lichte en twee zware kettingen. Zoals ze uiteindelijk meldden, de aanwezigheid van de antilichamen werd niet alleen bij kamelen bevestigd, maar ook bij lama's en alpaca's.

Snel vooruit 30 jaar. In het journaal PNAS deze week, onderzoekers van het Boston Children's Hospital en MIT laten zien dat deze mini-antilichamen, verder gekrompen om zogenaamde nanobodies te creëren, kan helpen bij het oplossen van een probleem op het gebied van kanker:het laten werken van CAR T-celtherapieën bij solide tumoren.

Veelbelovend voor bloedkanker, chimere antigeenreceptor (CAR) T-celtherapie maakt de eigen T-cellen van een patiënt genetisch manipuleren om ze beter te maken in het aanvallen van kankercellen. Het Dana-Farber/Boston Children's Cancer and Blood Disorders Center gebruikt momenteel CAR T-celtherapie voor recidiverende acute lymfatische leukemie (ALL), bijvoorbeeld.

Maar CAR T-cellen zijn niet goed geweest in het elimineren van solide tumoren. Het was moeilijk om kankerspecifieke eiwitten te vinden op solide tumoren die als veilige doelwitten zouden kunnen dienen. Solide tumoren worden ook beschermd door een extracellulaire matrix, een ondersteunend web van eiwitten dat als een barrière fungeert, evenals immunosuppressieve moleculen die de T-celaanval verzwakken.

CAR T-cellen heroverwegen

Dat is waar nanobodies om de hoek komen kijken. Gedurende twee decennia, ze bleven grotendeels in handen van het Belgische team. Maar dat veranderde nadat het patent in 2013 afliep.

"Veel mensen kwamen in het spel en begonnen de unieke eigenschappen van nanobodies te waarderen, " zegt Hidde Ploegh, doctoraat, een immunoloog in het programma in cellulaire en moleculaire geneeskunde bij Boston Children's en senior onderzoeker op de PNAS studie.

Een handig kenmerk is hun verbeterde targetingmogelijkheden. Ploegh en zijn team bij Boston Children's, in samenwerking met Noo Jalikhani, doctoraat, en Richard Hynes, doctoraat bij MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research, hebben nanobodies gebruikt om beeldvormende middelen te vervoeren, waardoor nauwkeurige visualisatie van uitgezaaide kankers mogelijk is.

Het Hynes-team richtte de nanobodies op de extracellulaire matrix van de tumoren, of ECM - die beeldvormende middelen niet op de kankercellen zelf richten, maar in de omgeving die hen omringt. Dergelijke markers komen veel voor bij veel tumoren, maar verschijnen meestal niet op normale cellen.

"Ons laboratorium en het Hynes-lab behoren tot de weinigen die deze benadering van het richten op de micro-omgeving van tumoren actief nastreven, ", zegt Ploegh. "De meeste laboratoria zijn op zoek naar tumorspecifieke antigenen."

Gericht op tumorbeschermers

Het lab van Ploegh nam dit idee mee naar CAR T-celtherapie. Zijn team, waaronder leden van het Hynes-lab, richtte zich op de factoren die solide tumoren moeilijk te behandelen maken.

De CAR T-cellen die ze creëerden, waren bezaaid met nanobodies die specifieke eiwitten in de tumoromgeving herkennen, met signalen die hen opdragen elke cel waaraan ze gebonden zijn te doden. Een eiwit, EIIIB, een variant van fibronectine, wordt alleen aangetroffen op nieuw gevormde bloedvaten die tumoren van voedingsstoffen voorzien. Een ander, PD-L1, is een immunosuppressief eiwit dat de meeste kankers gebruiken om naderende T-cellen het zwijgen op te leggen.

Biochemicus Jessica Ingram, doctoraat van het Dana-Farber Kankerinstituut, Ploegh's partner en een co-auteur van de krant, leidde de productiepijplijn. Ze zou naar Amherst rijden, Massa., om T-cellen te verzamelen van twee alpaca's, Bryson en Sánchez, injecteer ze met het antigeen van belang en oogst hun bloed voor verdere verwerking terug in Boston om mini-antilichamen te genereren.

Melanoom en darmkanker wegnemen

Getest in twee afzonderlijke melanoommuismodellen, evenals een colonadenocarcinoommodel bij muizen, de op nanobody gebaseerde CAR T-cellen doodden tumorcellen, de tumorgroei aanzienlijk vertraagde en de overleving van de dieren verbeterde, zonder direct duidelijke bijwerkingen.

Ploegh denkt dat de gemanipuleerde T-cellen door een combinatie van factoren werken. Ze veroorzaakten schade aan tumorweefsel, die de neiging heeft om inflammatoire immuunreacties te stimuleren. Het richten op EIIIB kan bloedvaten beschadigen op een manier die de bloedtoevoer naar tumoren vermindert, terwijl ze meer doorlaatbaar worden voor geneesmiddelen tegen kanker.

"Als je de lokale bloedtoevoer vernietigt en vasculaire lekkage veroorzaakt, je zou misschien de levering van andere dingen kunnen verbeteren die misschien moeilijker binnenkomen, "zegt Ploegh. "Ik denk dat we dit moeten zien als onderdeel van een combinatietherapie."

Toekomstige richtingen

Ploegh thinks his team's approach could be useful in many solid tumors. He's particularly interested in testing nanobody-based CAR T cells in models of pancreatic cancer and cholangiocarcinoma, a bile duct cancer from which Ingram passed away in 2018.

The technology itself can be pushed even further, says Ploegh.

"Nanobodies could potentially carry a cytokine to boost the immune response to the tumor, toxic molecules that kill tumor and radioisotopes to irradiate the tumor at close range, " he says. "CAR T cells are the battering ram that would come in to open the door; the other elements would finish the job. In theorie, you could equip a single T cell with multiple chimeric antigen receptors and achieve even more precision. That's something we would like to pursue."

Yushu Joy Xie, a graduate student in Boston Children's Program in Cellular and Molecular Medicine and MIT's Koch Institute, was first author on the paper. Supporters include the Lustgarten Foundation, de Nationale Wetenschapsstichting, the National Institutes of Health, the American Gastroenterological Association, the Howard Hughes Medical Institute Department of Defense and the National Cancer Institute. See the paper for details on authors and funders.