MIT-Forscher haben gezeigt, dass sie ein mikrofluidisches Zellquetschgerät verwenden können, um spezifische Antigene in die B-Zellen des Immunsystems einzuführen, was einen neuen Ansatz für die Entwicklung und Implementierung von Antigen-präsentierenden Zellimpfstoffen bietet.
Solche Impfstoffe, die durch Umprogrammierung der eigenen Immunzellen eines Patienten zur Bekämpfung von Eindringlingen hergestellt werden, sind vielversprechend für die Behandlung von Krebs und anderen Krankheiten. Mehrere Ineffizienzen haben jedoch ihre Übertragung auf die Klinik beschränkt, und nur eine Therapie wurde von der Food and Drug Administration zugelassen.
Während die meisten dieser Impfstoffe mit dendritischen Zellen hergestellt werden, einer Klasse von Antigen-präsentierenden Zellen mit breiter Funktionalität im Immunsystem, zeigen die Forscher in einer in Scientific Reports veröffentlichten Studie, dass B-Zellen so verändert werden können, dass sie als eine Alternative.
"Wir wollten ein wichtiges Hindernis bei der Verwendung von B-Zellen als Antigen-präsentierende Zellpopulation beseitigen und ihnen dabei helfen, dendritische Zellen zu ergänzen oder zu ersetzen", sagt Gregory Szeto, Postdoc am Koch-Institut für Integrative Krebsforschung und der Hauptautor des Papiers.
Darrell Irvine, Mitglied des Koch-Instituts und Professor für Bioingenieurwesen und Materialwissenschaften und -technik, ist der Hauptautor der Veröffentlichung.
Ein neuer Ansatz zur Herstellung von Impfstoffen
Dendritische Zellen sind die natürlich vielseitigsten antigenpräsentierenden Zellen. Im Körper entnehmen sie kontinuierlich Antigene von potenziellen Eindringlingen, die sie verarbeiten und auf ihrer Zelloberfläche präsentieren. Die Zellen wandern dann in die Milz oder die Lymphknoten, wo sie T-Zellen vorbereiten, um einen Angriff auf krebsartige oder infizierte Zellen zu starten, wobei sie auf die spezifischen Antigene abzielen, die aufgenommen und präsentiert werden.
Trotz ihrer entscheidenden Rolle im Immunsystem haben dendritische Zellen Nachteile, wenn sie für zellbasierte Impfstoffe verwendet werden: Sie haben eine kurze Lebensdauer, sie teilen sich nicht, wenn sie aktiviert werden, und sie sind relativ spärlich im Blutkreislauf.
B-Zellen sind ebenfalls antigenpräsentierende Zellen, aber im Gegensatz zu dendritischen Zellen können sie sich vermehren, wenn sie aktiviert werden, und sind im Blutkreislauf reichlich vorhanden. Ihre Funktionalität ist jedoch eingeschränkter: Während dendritische Zellen ständig Antigene abtasten, denen sie begegnen, ist eine B-Zelle genetisch darauf programmiert, nur an ein bestimmtes Antigen zu binden, das zu dem Rezeptor auf ihrer Oberfläche passt. Daher nimmt eine B-Zelle im Allgemeinen kein Antigen auf und zeigt es nicht an, wenn es nicht zu seinem Rezeptor passt.
Unter Verwendung eines mikrofluidischen Geräts konnten MIT-Forscher diese genetisch programmierte Barriere für die Antigenaufnahme überwinden, indem sie die B-Zellen zusammendrückten.
Durch "CellSqueeze", die Geräteplattform, die ursprünglich am MIT entwickelt wurde, leiten die Forscher eine Suspension von B-Zellen und Zielantigen durch winzige, parallele Kanäle, die auf einen Chip geätzt sind. Ein Überdrucksystem bewegt die Suspension durch diese Kanäle, die sich allmählich verengen, und übt einen sanften Druck auf die B-Zellen aus. Dieses "Stauchen" öffnet kleine, vorübergehende Löcher in ihren Membranen, wodurch das Zielantigen durch Diffusion eindringen kann.
Dieser Prozess belädt die Zellen effektiv mit Antigenen, um eine Reaktion von CD8- oder "Killer"-T-Zellen auszulösen, die dann Krebszellen oder andere Zielzellen töten können.
Die Forscher untersuchten die gepressten B-Zellen in Kultur und stellten fest, dass sie Antigen-spezifische T-Zellen mindestens so gut vermehren konnten wie bestehende Methoden, die mit Antikörpern beschichtete Kügelchen verwenden. Als Machbarkeitsnachweis transferierten die Forscher dann gequetschte B-Zellen und Antigen-spezifische T-Zellen in Mäuse und beobachteten, dass die gequetschten B-Zellen T-Zellen in der Milz und in den Lymphknoten vermehren konnten.
Die Forscher sagen auch, dass dies die erste Methode ist, die die Antigenabgabe von der B-Zell-Aktivierung entkoppelt. Eine B-Zelle wird aktiviert, wenn sie ihr Antigen aufnimmt oder wenn sie auf einen fremden Stimulus trifft, der sie dazu zwingt, nahes Antigen aufzunehmen. Diese Aktivierung bewirkt, dass B-Zellen sehr spezifische Funktionen ausführen, was nur begrenzte Möglichkeiten für die B-Zell-basierte Impfstoffprogrammierung bietet. Durch die Verwendung von CellSqueeze wird dieses Problem umgangen, und durch die Möglichkeit, Verabreichung und Aktivierung separat zu konfigurieren, haben Forscher eine größere Kontrolle über das Impfstoffdesign.
Gail Bishop, Professorin für Mikrobiologie an der Carver School of Medicine der Universität von Iowa und Direktorin des Zentrums für Immunologie und immunbasierte Krankheiten der Schule, sagt, dass dieses Papier einen „kreativen neuen Ansatz mit beträchtlichem Potenzial in der Entwicklung von Antigen-präsentierenden Zellimpfstoffen."
"Die antigenpräsentierenden Fähigkeiten von B-Zellen wurden oft unterschätzt, aber sie werden zunehmend wegen ihrer praktischen Vorteile in Therapien geschätzt", sagt Bishop, der nicht an dieser Forschung beteiligt war.„Dieser neue technische Ansatz ermöglicht die effektive Beladung von B-Zellen mit praktisch jedem Antigen und hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Antigene auf den CD8-T-Zell-Präsentationsweg gerichtet sind, wodurch die Aktivierung der Killer-T-Zellen erleichtert wird, die in vielen klinischen Anwendungen erwünscht sind.“
Main Squeeze
Armon Sharei, jetzt Gastwissenschaftler am Koch-Institut, entwickelte CellSqueeze während seines Doktorandenstudiums in den Labors von Klavs Jensen, dem Warren K. Lewis-Professor für Chemieingenieurwesen und Professor für Materialwissenschaft und -technik, und Robert Langer, Professor am David H. Koch-Institut und Mitglied des Koch-Instituts. Sharei, Jensen und Langer sind ebenfalls Autoren dieses Artikels.
In einer separaten Studie, die letzten Monat in der Zeitschrift PLoS ONE veröffentlicht wurde, zeigten Sharei und seine Kollegen erstmals, dass CellSqueeze funktionelle Makromoleküle in Immunzellen einbringen kann. Die Plattform hat Vorteile gegenüber bestehenden Verabreichungsmethoden, einschließlich Elektroporation und gentechnisch veränderten Viren, die auf die Verabreichung von Nukleinsäuren beschränkt sind. Während Nukleinsäuren eine Zelle für ein Zielantigen kodieren können, haben diese indirekten Methoden Nachteile: Sie haben eine begrenzte Fähigkeit, schwer zu identifizierende Antigene zu kodieren, und die Verwendung von Nukleinsäuren birgt das Risiko einer versehentlichen Genombearbeitung. Diese Methoden sind auch toxisch und können Zellschäden und Tod verursachen. Durch die direkte Abgabe von Proteinen in Zellen mit minimaler Toxizität vermeidet CellSqueeze diese Mängel und erweist sich in dieser neuen Studie als vielversprechende vielseitige Plattform für die Entwicklung wirksamerer zellbasierter Impfstoffe.
"Unser Traum ist es, eine ganze Klasse von Therapien hervorzubringen, bei denen Sie Ihre eigenen Zellen herausnehmen, ihnen sagen, was sie tun sollen, und sie wieder in Ihren Körper zurückbringen, um Ihre Krankheit zu bekämpfen, was auch immer das sein mag", Sharei sagt.
Nach der Entwicklung von CellSqueeze am MIT war Sharei 2013 Mitbegründer von SQZ Biotech, um die Plattform weiterzuentwickeln und zu kommerzialisieren. So wie das Unternehmen seitdem gewachsen ist – mittlerweile auf 13 Mitarbeiter – hat sich auch das Gerät weiterentwickelt. Sharei, jetzt CEO des Unternehmens, sagt, dass die aktuelle Generation durch die Verbesserung des Designs und die Erhöhung der Anzahl der Kanäle einen Durchsatz von 1 Million Zellen pro Sekunde hat.
Zukünftige Schritte
Die Forscher sagen, dass sie jetzt planen, ihren B-Zell-basierten Impfstoff zu verfeinern, um die Verteilung und Funktion der Immunzellen im Körper zu optimieren. Ein B-Zell-basierter Ansatz könnte auch die Menge an Patientenblut reduzieren, die zur Herstellung eines Impfstoffs benötigt wird. Derzeit muss Patienten, die zellbasierte Impfstoffe erh alten, jedes Mal, wenn eine neue Dosis zubereitet werden muss, über mehrere Stunden hinweg Blut entnommen werden.
In der Zwischenzeit zielt SQZ Biotech darauf ab, den Platzbedarf seines Geräts zu verringern, was potenziell den Zeit- und Kostenaufwand für die Entwicklung zellbasierter Impfstoffe senken könnte.
"Wir stellen uns ein zukünftiges System vor, wenn wir seine mikrofluidische Natur nutzen können, als bettseitiges oder vor Ort einsetzbares Gerät", sagt Sharei. „Anstatt Ihre Zellen zu dieser großen, zentralisierten Einrichtung zu schicken, könnten Sie dies in Ihrem Krankenhaus oder in Ihrer Arztpraxis tun."
Im Zuge der weiteren Verfeinerung von Biologie und Technologie sagen die Autoren, dass ihr Ansatz möglicherweise eine effizientere, effektivere und kostengünstigere Methode zur Entwicklung zellbasierter Therapien für Patienten sein könnte.
"Später könnten Sie möglicherweise genug Zellen aus einer normalen Blutentnahme mit einer Spritze gewinnen, sie durch ein Gerät am Krankenbett laufen lassen, das das Antigen enthält, gegen das Sie impfen möchten, und dann hätten Sie den Impfstoff, " sagt Szeto.
