Ученые пытаются понять, как иммунная система борется с раком

За последние два десятилетия иммунная система привлекла все большее внимание из-за своей роли в борьбе с раком. Поскольку исследователи узнают все больше и больше о взаимодействии рака и иммунной системы, несколько противоопухолевых иммунотерапевтических препаратов были одобрены FDA и теперь регулярно используются для лечения нескольких типов рака.

Тем не менее, несмотря на эти достижения, многое остается неизвестным о том, как иммунная система борется с раком, и об иммунитете в целом, комментирует Мартин ЛаФлер (Martin LaFleur), научный сотрудник лаборатории Арлин Шарп (Arlene Sharpe), заведующей кафедрой иммунологии Института Блаватника Гарвардской медицинской школы (Harvard Medical School).

Редактирование генов на основе CRISPR, при котором ученые модифицируют геном с помощью инструмента, разработанного чуть более десяти лет назад, стало основой биологических открытий, обеспечивая относительно быстрое понимание функций отдельных генов и целей для новых методов лечения.

Однако, по словам ЛаФлера, этот подход не лишен проблем. Главный из них заключается в том, что трудно модифицировать иммунные клетки, не меняя их биологию, что затрудняет изучение поведения иммунных клеток во всей его сложности в живом организме.

Теперь ученым удалось обойти это препятствие, применив CRISPR новым способом для изучения функции иммунных генов.

Их работа, описанная в двух статьях — одна в Nature Immunology, а другая в Journal of Experimental Medicine — может в конечном итоге дать представление об иммунологии рака, а также о других заболеваниях, вызванных дисфункцией иммунной системы.

Давайте напомним, как работает CRISPR

Программируемое редактирование генов на основе CRISPR было разработано в 2012 году и стало настолько мощным инструментом биологических исследований, что его первооткрыватели получили Нобелевскую премию по химии в 2020 году.

Система редактирования генов CRISPR использует фермент под названием Cas-9, который действует как молекулярные ножницы, разрезая обе нити ДНК и при этом разрушая или отключая функцию гена. Чтобы выбрать ген, который нужно нокаутировать, эта система использует дополнительный участок РНК, который соответствует гену и действует как ориентир. Это очень гибкий подход, позволяющий очень быстро выявить и изучить функцию практически любого гена.

Как CRISPR используется для понимания иммунной функции генов?

Иммунные клетки взаимодействуют со многими другими типами клеток, которые невозможно хорошо смоделировать в чашках Петри, поэтому ученые предпочитают, чтобы иммунные исследования проводились внутри живого организма, например мышь, — гораздо более надежный способ охватить всю сложность взаимодействия клеток с клетками, происходящие в организме, а не в лабораторной чашке. Редактирование CRISPR внутри организма затруднено, поэтому иммунные клетки обычно должны выйти наружу и модифицироваться с помощью этого инструмента в чашке Петри. Отредактированные клетки затем возвращаются в организм.

Однако только определенные типы иммунных клеток могут быть эффективно включены при обратном переносе мышам. Кроме того, сам процесс манипулирования иммунными клетками в чашке может изменить их биологию, поэтому вы можете не изучать то, что на самом деле хотите изучать, когда они будут удалены из организма.

Кроме того, CRISPR использовался только для одновременного отключения одного гена в иммунных клетках. Но наши клетки содержат тысячи генов, так что, если мы хотим вывести из строя несколько генов в разных типах клеток в разное время у одного и того же животного? Это позволит лучше понять сложности генов и их взаимодействия в иммунных клетках с течением времени.

Как новое исследование решает эти проблемы?

Ученые решили использовать совершенно другой подход к использованию CRISPR. Вместо того, чтобы напрямую модифицировать интересующие иммунные клетки, исследователи модифицировали их предшественники — стволовые клетки, обнаруженные в костном мозге, которые производят все иммунные клетки. Ученые удалили их у мышей и использовали CRISPR, чтобы нокаутировать интересующие гены, а затем заменили эти стволовые клетки мышам, у которых были удалены нативные стволовые клетки костного мозга. Эту методику назвали CHimeric Immune Editing или CHIME.

В более раннем исследовании ученые использовали CHIME, чтобы нокаутировать ген под названием Ptpn2, который показал некоторые перспективы для иммунотерапии рака, одного из направлений деятельности лаборатории Шарпа. Когда ученые удалили этот один ген в подмножестве иммунных клеток, известных как CD8+ Т-клетки, они стали лучшими борцами с раком.

В исследовании Nature Immunology ученые хотели посмотреть, смогут ли они модифицировать CHIME и сделать его более точным и универсальным. Исследователи использовали его, чтобы выбить два гена одновременно в нескольких разных типах клеток; ученые применили его для целенаправленного воздействия на гены в одном типе клеток; исследователи использовали CRISPR, чтобы разрушить гены в модифицированных клетках, когда они уже вернулись внутрь животного; и также использовали его, чтобы выключить два разных гена в разные моменты времени.

Исслдователи использовали разные тактики, такие как упаковка нескольких направляющих РНК вместе и использование трюка, который отключает гены только при определенных обстоятельствах, например, когда мыши получают препарат. Им удалось продемонстрировать, что каждая из этих стратегий осуществима.

Какова конечная цель в этом исследовании?

Конечная цель — лучше понять иммунную систему, особенно ее способность бороться с раком. Ученые хотят стимулировать сильный противораковый иммунитет — то есть оптимизировать борьбу иммунных клеток с опухолями, — но также уберечь здоровые клетки и ткани от иммунной атаки. Это требует очень тонкой калибровки иммунной системы и может оказаться непростым балансом.

Более того, преимущества могут распространяться не только на рак, но и на многие другие заболевания, вызванные иммунной системой, включая аутоиммунные состояния.

Каковы дальнейшие шаги?

Ученые опубликовали вторую статью в научном журнале Journal of Experimental Medicine где излагаются основы исследований с использованием CRISPR для проверки функции иммунных генов у живых животных. Центральное место в системе занимает добавление генетического «штрих-кода» к иммунным клеткам, отредактированным с помощью CRISPR, чтобы ученые могли отслеживать их размножение и распространение внутри животных.

Исследователи надеются, что эта структура и CHIME даст новые инструменты для изучения иммунных клеток при раке или любой другой модели заболевания по их выбору, что в конечном итоге приведет к новым иммуноцентрированным методам лечения.

Литература:
Martin W. LaFleur et al, X-CHIME enables combinatorial, inducible, lineage-specific and sequential knockout of genes in the immune system, Nature Immunology (2023). DOI: 10.1038/s41590-023-01689-6