Krebs ist das Monster unserer Gesellschaft. Laut der American Cancer Society starben allein im vergangenen Jahr mehr als 600.000 Menschen in den Vereinigten Staaten an Krebs. Das unermüdliche Streben nach dem Verständnis dieser komplexen Krankheit hat den medizinischen Fortschritt bei der Entwicklung von Behandlungsverfahren geprägt, die weniger invasiv und dennoch hochwirksam sind.
Als mögliche Lösung ist die Immuntherapie auf dem Vormarsch. Bei der Immuntherapie wird die Kraft des körpereigenen Immunsystems genutzt, um Krebszellen zu bekämpfen. Forscher des College of Engineering haben einen Weg gefunden, ein Behandlungsverfahren in eine bahnbrechende Praxis umzuwandeln.
Rong Tong, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen, hat sich mit Wenjun „Rebecca“ Cai, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaft und -technik, zusammengetan, um eine Behandlung zur Krebsimmuntherapie zu erforschen, die für Forscher seit langem von Interesse ist. In ihrem neu veröffentlichten Artikel in der Zeitschrift Science Advances erläuterten Tong und Cai ihren Ansatz, der darin besteht, die Immunzellen im Körper zu aktivieren und sie neu zu programmieren, um die Krebszellen anzugreifen und zu zerstören. Diese Therapiemethode wird häufig mit dem Protein Zytokin umgesetzt. Zytokine sind kleine Proteinmoleküle, die als interzelluläre biochemische Botenstoffe fungieren und von den Immunzellen des Körpers freigesetzt werden, um ihre Reaktion zu koordinieren.
„Zytokine sind wirksam und hochwirksam bei der Stimulierung der Immunzellen, Krebszellen zu eliminieren“, sagte Tong. „Das Problem ist, dass sie so stark sind, dass sie, wenn sie sich frei im Körper bewegen, jede Immunzelle aktivieren, auf die sie stoßen, was zu einer überaktiven Immunantwort und möglicherweise tödlichen Nebenwirkungen führen kann.“
Tong und Cai haben in Zusammenarbeit mit Doktoranden der Chemieingenieurwissenschaften sowie der Material- und Ingenieurwissenschaften einen innovativen Ansatz entwickelt, um Zytokinproteine als potenzielle Immuntherapiebehandlung einzusetzen. Im Gegensatz zu früheren Methoden stellt ihre Technik sicher, dass sich die Immunzellen stimulierenden Zytokine wochenlang effektiv in den Tumoren lokalisieren und gleichzeitig die Struktur und das Reaktivitätsniveau des Zytokins bewahren.
Kräfte bündeln, um Krebszellen zu bekämpfen
Aktuelle Krebsbehandlungen wie die Chemotherapie können nicht zwischen gesunden Zellen und Krebszellen unterscheiden. Wenn jemand mit Krebs eine Chemotherapie erhält, greift die Behandlung alle Zellen in seinem Körper an, was zu Nebenwirkungen wie Haarausfall und Müdigkeit führen kann. Die Stimulierung des körpereigenen Immunsystems zur Bekämpfung von Tumoren ist eine vielversprechende Alternative zur Krebsbehandlung. Die Abgabe von Zytokinen kann Immunzellen im Tumor ankurbeln, eine Überstimulation gesunder Zellen kann jedoch schwerwiegende Nebenwirkungen verursachen.
„Wissenschaftler haben vor einiger Zeit festgestellt, dass Zytokine zur Aktivierung und Bekämpfung von Tumoren eingesetzt werden können, aber sie wussten nicht, wie sie sie im Tumor lokalisieren können, ohne dem Rest des Körpers eine toxische Wirkung zu verleihen“, sagte Tong. „Chemieingenieure können dies aus einem technischen Ansatz betrachten und ihr Wissen nutzen, um die Wirksamkeit der Zytokine zu verfeinern und zu steigern, damit sie effektiv im Körper wirken können.“
Ziel des Forscherteams ist es, ein Gleichgewicht zwischen der Abtötung von Krebszellen im Körper und der Schonung gesunder Zellen zu finden.
Um dieses Ziel zu erreichen, nutzten Tong und seine Studenten ihr Fachwissen, um spezielle Partikel mit unterschiedlichen Größen zu erzeugen, die dabei helfen, zu bestimmen, wohin das Medikament gelangt. Diese Mikropartikel sind so konzipiert, dass sie nach der Injektion in den Körper in der Tumorumgebung verbleiben. Cai und ihre Studenten arbeiteten daran, die Oberflächeneigenschaften dieser Partikel zu messen.
„Auf dem Gebiet der Materialwissenschaften und -technik untersuchen wir die Oberflächenchemie und das mechanische Verhalten von Materialien, wie beispielsweise den für dieses Projekt geschaffenen Spezialpartikeln“, sagte Cai. „Oberflächentechnik und -charakterisierung spielen zusammen mit der Partikelgröße eine wichtige Rolle bei der kontrollierten Arzneimittelabgabe und gewährleisten eine längere Präsenz des Arzneimittels und eine anhaltende therapeutische Wirksamkeit.“
Um eine erfolgreiche Arzneimittelabgabe sicherzustellen, entwickelten Tong und seine Studenten des Chemieingenieurwesens eine neuartige Strategie, die:
- Verankert Zytokine an diesen neuen Mikropartikeln und begrenzt so die Schädigung gesunder Zellen durch Zytokine
- Ermöglicht es den neu in Partikeln verankerten Zytokinen, das Immunsystem anzukurbeln und Immunzellen zu rekrutieren, um Krebszellen anzugreifen
„Unsere Strategie minimiert nicht nur die durch Zytokine verursachte Schädigung gesunder Zellen, sondern verlängert auch die Zytokinretention im Tumor“, sagte Tong. „Dies trägt dazu bei, die Rekrutierung von Immunzellen für einen gezielten Tumorangriff zu erleichtern.“
Der nächste Schritt in diesem Prozess besteht darin, die neue, lokalisierte Zytokin-Therapiemethode mit kommerziell erhältlichen, von der Food and Drug Administration (FDA) zugelassenen Checkpoint-Blockade-Antikörpern zu kombinieren, die die zum Schweigen gebrachten Tumorimmunzellen reaktivieren, damit sie die Krebszellen bekämpfen können .
„Wenn sich im Körper ein Tumor befindet, werden die körpereigenen Immunzellen durch die Krebszellen deaktiviert“, erklärte Tong. „Der von der FDA zugelassene Checkpoint-Blocking-Antikörper trägt dazu bei, die Bremsen zu lösen, die Tumore auf Immunzellen ausüben, während die Zytokinmoleküle „aufs Gas treten“, um das Immunsystem anzukurbeln und eine Armee von Immunzellen zur Bekämpfung von Krebszellen aufzustellen. Diese beiden Ansätze arbeiten zusammen, um Immunzellen zu aktivieren.“
Die Kombination der Checkpoint-Antikörper mit dem partikelverankerten Zytokin erwies sich in ihrer Studie als erfolgreich zur Beseitigung vieler Tumoren.
Technischer Einfluss auf die Krebsbehandlung
Die Teammitglieder hoffen, dass ihr Einfluss auf die Immuntherapie-Behandlung Teil einer größeren Bewegung hin zu Krebsbehandlungsansätzen ist, die für gesunde Zellen harmlos sind. Der neue Ansatz, Zytokine an Partikel zu binden, könnte laut dem Team in Zukunft auch zur Abgabe anderer Arten von immunstimulierenden Arzneimitteln genutzt werden.
„Forscher suchen immer noch nach sichereren und wirksameren Krebsbehandlungen“, sagte Tong. „Diese Motivation treibt uns an, neue Technologien auf diesem Gebiet zu entwickeln. Die gesamte Klasse von Medikamenten, die eingesetzt werden, um das Immunsystem zur Bekämpfung von Krebszellen anzukurbeln, hat sich bisher größtenteils nicht durchgesetzt. Unser Ziel ist es, neuartige Lösungen zu entwickeln, die es Forschern ermöglichen.“ um diese Medikamente mit bestehenden, von der FDA zugelassenen Therapeutika zu testen und so sowohl Sicherheit als auch verbesserte Wirksamkeit zu gewährleisten.“
Cai sagte, die Natur der Krebsbehandlungsforschung erfordere Fachwissen über alle Ingenieurdisziplinen hinweg.
„Ich betrachte dieses Projekt als eine perfekte Verbindung zwischen Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaft“, sagte Cai. „Ersteres konzentriert sich auf den Teil Synthese und Arzneimittelabgabe, letzteres auf die Anwendung fortschrittlicher Materialcharakterisierung. Diese Zusammenarbeit beschleunigt nicht nur die Immuntherapieforschung, sondern hat auch das Potenzial, die Krebsbehandlung zu transformieren.“
Niu L, Jang E, Chin AL, Huo Z, Wang W, Cai W, Tong R.
Nichtkovalente partikelverankerte Zytokine mit verlängerter Tumorretention lösen sicher eine starke Antitumorimmunität aus.
Sci Adv. 2024 Apr 19;10(16):eadk7695. doi: 10.1126/sciadv.adk7695
