Ingegneria delle cellule per le terapie contro il cancro / Cell Engineering for Cancer Therapies

Ingegneria delle cellule per le terapie contro il cancro / Cell Engineering for Cancer Therapies

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Come trattamento emergente contro il cancro, l'immunoterapia basata sulle cellule si dimostra promettente perché trasforma le cellule immunitarie del paziente in un'arma per combattere il cancro. Nella terapia con cellule T adottive, le cellule T vengono raccolte da un paziente ed ingegnerizzate per esprimere recettori antigenici chimerici (CAR). Così equipaggiate per colpire le cellule tumorali, le cellule T CAR vengono poi reinfuse nel paziente. Questo approccio si sta dimostrando efficace contro alcuni tumori del sangue, ma i tumori solidi si stanno dimostrando più recalcitranti. Ecco come gli approcci ingegneristici di nuova generazione, tra cui l'editing del genoma e la biologia sintetica, stanno aiutando ad affrontare le sfide dell'immunoterapia cellulare.

Migliorare la specificità

Nuovi approcci ingegneristici stanno migliorando la specificità delle cellule CAR T, che a sua volta sta migliorando la loro sicurezza ed efficacia nelle terapie contro il cancro. "I progressi nella progettazione della struttura CAR possono consentire [lo sviluppo di] recettori sintetici che rispondono a combinazioni di antigeni specifici del cancro, consentendo alle cellule T di interagire con le cellule tumorali in modo più preciso ed efficace", afferma Yelena Bronevetsky, Direttore della gestione dei prodotti presso Xcell Biosciences.

Ad esempio, i CAR logicamente controllati possono essere progettati con una porta "AND" in modo che la presenza di due antigeni diversi sia richiesta per l'attivazione del recettore. "Questi CAR operano utilizzando una porta, attivandosi solo quando vengono riconosciuti due antigeni co-espressi sulle cellule tumorali, ma assenti sulle cellule sane", afferma Jon Pileggi, Senior Manager of Process Development presso CTMC. "In alternativa, possono utilizzare una porta "NOT" delle cellule T, inibendo l'attivazione al rilevamento di antigeni specifici che identificano le cellule sane". La progettazione di CAR logicamente controllati aiuta a ridurre gli effetti fuori bersaglio, la fuga immunitaria e la ricaduta.

Sopravvivere al microambiente tumorale

L'ingegneria sta anche aiutando le cellule CAR-T a sopravvivere abbastanza a lungo da essere efficaci nel microambiente tumorale (TME). Il TME è un paesaggio inospitale in cui le cellule immunitarie vengono soppresse e persino reclutate nel "lato oscuro" per servire le cellule tumorali. Per aiutare a superare questo problema, i ricercatori stanno progettando cellule CAR-T di quarta generazione, note anche come cellule T reindirizzate per l'uccisione universale delle citochine (TRUCK), che non solo esprimono un CAR ma secernono anche citochine. "Ciò consente alle cellule non solo di colpire le cellule tumorali ma anche di modificare il microambiente tumorale per migliorare l'infiltrazione del tumore e supportare meglio una risposta immunitaria", afferma Pileggi. Bronevetsky concorda sul fatto che l'ingegneria potrebbe aiutare le cellule CAR-T a mantenere l'attività nei TME ostili. "Questo è qualcosa che i nostri clienti stanno esaminando attentamente con la nostra tecnologia AVATAR, che consente un'attenta replicazione del microambiente tumorale in un'incubatrice", afferma.

James Brady, SVP of Technical Applications and Customer Support presso MaxCyte, nota un aumento della sofisticatezza e della complessità dei carichi utili genetici forniti per generare cellule CAR T, in cui le tecnologie di elettroporazione di MaxCyte svolgono un ruolo centrale. " Questo approccio 'CAR corazzato', che fornisce una serie di geni alla cellula oltre ai CAR, consente alla cellula di produrre varie proteine, come le citochine, che aiutano a neutralizzare il microambiente tumorale ed a migliorare l'efficacia terapeutica."

Superare i limiti autologhi

La maggior parte dell'immunoterapia con cellule CAR-T è autologa, in cui le cellule vengono raccolte dal paziente, quindi isolate, progettate per colpire le cellule tumorali e reinfuse nel paziente. Il processo è macchinoso, dispendioso in termini di tempo e denaro. In definitiva, una terapia cellulare efficace richiederà lo sviluppo di processi di produzione standardizzati per le cellule CAR-T od altre cellule immunitarie che possono essere mobilitate in base alla diagnosi del paziente, senza attendere le consuete procedure autologhe. Questo approccio allogenico può utilizzare cellule T da donatori sani od eventualmente cellule T prodotte da nuove scoperte sulle cellule staminali. "La tecnologia di riprogrammazione delle iPSC sta migliorando, introducendo la possibilità di creare una fornitura pressoché illimitata di cellule T differenziate che possono quindi essere utilizzate per la terapia cellulare allogenica pronta all'uso", afferma Brady. "Ci sarebbero molti vantaggi nel fare ciò, [ed] avere una scorta pronta di cellule CAR-T contro i comuni antigeni tumorali che [potrebbe] accelerare il corso di trattamento del paziente".

Indipendentemente da dove provengano le cellule, la creazione di cellule immunitarie allogeniche di successo dipenderà da nuove tecnologie di biologia molecolare e cellulare. "Applicando i principi della biologia sintetica, è possibile sviluppare progetti di vettori cellulari CAR-T modulari e "plug-and-play", consentendo una produzione efficiente su vari target tumorali", afferma Pileggi. "Utilizzando strumenti di editing del genoma, come CRISPR-Cas9, è possibile generare in massa cellule CAR-T universali o pronte all'uso da cellule donatrici sane eliminando i marcatori alloreattivi (come i marcatori TCR o HLA) che normalmente causerebbero il rigetto o porterebbero ad eventi avversi in un paziente dopo l'infusione".

In effetti, tali sfide rimangono un problema che deve affrontare lo sviluppo di approcci allogenici alla terapia con cellule immunitarie. Ma, afferma Bronevetsky, "l'ingegneria CAR è ben posizionata per affrontare i rischi di tossicità come la sindrome da rilascio di citochine e la malattia del trapianto contro l'ospite nei trattamenti allogenici". L'uso dell'editing genetico per rimuovere proteine ​​specifiche e problematiche dalle cellule T "può migliorare notevolmente la velocità e l'accessibilità delle terapie CAR rendendo la terapia con cellule allogeniche più sicura", afferma Brady. "Se possiamo utilizzare le cellule dei donatori in modo sicuro, potremmo iniziare a creare scorte di cellule T ingegnerizzate che sono quindi pronte all'uso nel momento in cui sono necessarie".

Un altro campo all'avanguardia che vale la pena osservare elimina tutto il lavoro sopra descritto per le terapie allogeniche o autologhe. Invece, i ricercatori stanno lavorando sulla generazione in vivo di cellule CAR-T tramite la somministrazione di geni utilizzando metodi diversi (ad esempio, virali, nanoparticelle lipidiche o mRNA). "Questo approccio emergente mira a generare cellule CAR-T direttamente all'interno di un paziente", afferma Pileggi. "Potrebbe semplificare ed accelerare i trattamenti bypassando completamente la tradizionale produzione ex vivo, che è quasi sempre complessa, dispendiosa in termini di tempo e costosa".

Migliorare le probabilità contro i tumori solidi

Sebbene la terapia immunitaria con cellule CAR-T stia dimostrando di avere successo nel trattamento dei tumori del sangue, è meno efficace contro i tumori solidi. Uno dei motivi è la sfida di trasportare le cellule CAR-T nei siti tumorali in cui saranno efficaci. Il TME è meno vascolarizzato e quindi più difficile da attraversare per le cellule immunitarie, e le condizioni non favoriscono la loro sopravvivenza. "Per raggiungere questi tumori, [le cellule terapeutiche] devono essere in grado di uscire dal sistema circolatorio (superando le barriere delle cellule endoteliali), penetrando attraverso più strati di tessuto tumorale; e [quindi] avere un effetto terapeutico esatto nonostante un ambiente opprimente in cui le cellule tumorali sopprimono attivamente l'attivazione delle cellule immunitarie e possono essere anormalmente quiescenti", afferma Brady.

Anche l'ingegneria delle cellule immunitarie promette di aumentare le nostre capacità di combattere i tumori solidi. "Ad esempio, il knockout mediato da CRISPR/Cas9 dei geni che regolano i checkpoint immunitari e la proliferazione cellulare può migliorare le prestazioni delle cellule CAR-T nei tumori solidi", afferma Bronevetsky. Brady nota anche che i ricercatori stanno cercando di migliorare l'ingresso delle cellule CAR-T nei tumori armandole con recettori delle chemiochine e "consentendo loro di essere attratte più efficacemente verso l'ambiente tumorale".

Uno strumento correlato che potrebbe migliorare le nostre probabilità contro i tumori solidi sono i CAR-macrofagi, che potrebbero diventare complementari alle cellule CAR-T. A differenza di queste ultime, i macrofagi sono naturalmente più abili nell'infiltrare i tumori. "I CAR-macrofagi sono anche in grado di fagocitare le cellule tumorali e presentare antigeni tumorali alle cellule T, portando ad una risposta immunitaria antitumorale più completa", afferma Bronevetsky. "Queste cellule possono anche mediare direttamente la citotossicità tumorale attraverso la produzione di proteine ​​come TNF-α ed ossido nitrico". Continuare ad innovare nuovi attacchi alle cellule tumorali con tutti gli strumenti a nostra disposizione, tra cui ingegneria cellulare, editing del genoma e biologia sintetica, renderà presto più tipi di cancro curabili e temporanei.

ENGLISH

As an emerging cancer treatment, cell-based immunotherapy shows promise because it turns a patient’s own immune cells into a weapon to fight cancer. In adoptive T-cell therapy, T cells are harvested from a patient and engineered to express chimeric antigen receptors (CARs). Equipped to target tumor cells, the CAR T cells are then infused back into the patient. This approach is proving effective against some blood cancers, but solid tumors are proving more recalcitrant. Here’s how next-generation engineering approaches, including genome editing and synthetic biology, are helping to address the challenges of cell-based immunotherapy.

Improving specificity

New engineering approaches are improving the specificity of CAR T cells, which in turn is improving their safety and efficacy in cancer therapies. “Advances in CAR structure design may enable synthetic receptors that respond to combinations of cancer-specific antigens, allowing T cells to interact with tumor cells more precisely and effectively,” says Yelena Bronevetsky, director of product management at Xcell Biosciences.

For example, logically controlled CARs can be designed with an “AND” gate so that the presence of two different antigens is required for the receptor to activate. “These CARs operate using a gate, activating only when they recognize two antigens that are co-expressed on tumor cells but absent on healthy cells,” says Jon Pileggi, senior manager of process development at CTMC. “Alternatively, they can use a T cell “NOT” gate, inhibiting activation upon detection of specific antigens that identify healthy cells.” Designing logically controlled CARs helps reduce off-target effects, immune escape, and relapse.

Surviving the Tumor Microenvironment

Engineering is also helping CAR T cells survive long enough to be effective in the tumor microenvironment (TME). The TME is an inhospitable landscape where immune cells are suppressed and even recruited to the “dark side” to serve tumor cells. To help overcome this problem, researchers are engineering fourth-generation CAR T cells, also known as redirected universal cytokine killing (TRUCK) T cells, that not only express a CAR but also secrete cytokines. “This allows the cells to not only target tumor cells but also modify the tumor microenvironment to enhance tumor infiltration and better support an immune response,” Pileggi says. Bronevetsky agrees that engineering could help CAR T cells maintain activity in hostile TMEs. “This is something our customers are looking at closely with our AVATAR technology, which allows for careful replication of the tumor microenvironment in an incubator,” he says.

James Brady, SVP of Technical Applications and Customer Support at MaxCyte, sees an increase in the sophistication and complexity of genetic payloads delivered to generate CAR T cells, where MaxCyte’s electroporation technologies play a central role. “This ‘armored CAR’ approach, which delivers a set of genes to the cell in addition to the CARs, allows the cell to produce various proteins, such as cytokines, that help neutralize the tumor microenvironment and improve therapeutic efficacy.”

Overcoming Autologous Limitations

Most CAR T-cell immunotherapy is autologous, where cells are harvested from the patient, then isolated, engineered to target tumor cells, and reinfused back into the patient. The process is cumbersome, time-consuming, and expensive. Ultimately, effective cell therapy will require developing standardized manufacturing processes for CAR T cells or other immune cells that can be mobilized based on a patient’s diagnosis, without waiting for the usual autologous procedures. This allogeneic approach can use T cells from healthy donors or possibly T cells produced from new stem cell discoveries. “iPSC reprogramming technology is improving, introducing the ability to create a virtually unlimited supply of differentiated T cells that can then be used for off-the-shelf allogeneic cell therapy,” Brady says. “There would be a lot of benefits to doing this, [and] having a ready supply of CAR T cells against common tumor antigens [could] accelerate a patient’s course of treatment.”

Regardless of where the cells come from, creating successful allogeneic immune cells will depend on new molecular and cellular biology technologies. “By applying the principles of synthetic biology, it is possible to develop modular, plug-and-play CAR-T cell vector designs, enabling efficient production on various tumor targets,” Pileggi says. “Using genome editing tools, such as CRISPR-Cas9, it is possible to generate mass-produced, universal or off-the-shelf CAR-T cells from healthy donor cells by eliminating alloreactive markers (such as TCR or HLA markers) that would normally cause rejection or lead to adverse events in a patient after infusion.”

Indeed, such challenges remain a problem facing the development of allogeneic approaches to immune cell therapy. But, Bronevetsky says, “CAR engineering is well positioned to address the toxicity risks such as cytokine release syndrome and graft-versus-host disease in allogeneic treatments.” Using gene editing to remove specific, problematic proteins from T cells “can dramatically improve the speed and accessibility of CAR therapies while making allogeneic cell therapy safer,” Brady says. “If we can use donor cells safely, we could start to create inventories of engineered T cells that are then ready to use when they’re needed.”

Another cutting-edge field worth watching does away with all of the work described above for allogeneic or autologous therapies. Instead, researchers are working on generating CAR T cells in vivo by delivering genes using different methods (e.g., viral, lipid nanoparticles, or mRNA). “This emerging approach aims to generate CAR T cells directly inside a patient,” Pileggi says. “It could simplify and accelerate treatments by completely bypassing traditional ex vivo manufacturing, which is almost always complex, time-consuming, and expensive.”

Improving the odds against solid tumors

Although CAR T-cell immune therapy is proving successful in treating blood cancers, it is less effective against solid tumors. One reason is the challenge of delivering CAR T cells to tumor sites where they will be effective. The TME is less vascularized and therefore more difficult for immune cells to traverse, and the conditions are not conducive to their survival. “To reach these tumors, [the therapeutic cells] must be able to exit the circulatory system (by breaking through endothelial cell barriers), penetrating through multiple layers of tumor tissue; and [therefore] have a precise therapeutic effect despite an oppressive environment in which tumor cells actively suppress immune cell activation and may be abnormally quiescent,” Brady says.

Immune cell engineering also holds promise for increasing our ability to fight solid tumors. “For example, CRISPR/Cas9-mediated knockout of genes that regulate immune checkpoints and cell proliferation can improve CAR T cell performance in solid tumors,” Bronevetsky says. Brady also notes that researchers are looking to improve CAR T cell entry into tumors by arming them with chemokine receptors and “enabling them to be more effectively attracted to the tumor environment.”

A related tool that could improve our odds against solid tumors are CAR macrophages, which could become complementary to CAR T cells. Unlike CAR T cells, macrophages are naturally better at infiltrating tumors. “CAR macrophages are also able to phagocytose tumor cells and present tumor antigens to T cells, leading to a more comprehensive antitumor immune response,” Bronevetsky says. “These cells can also directly mediate tumor cytotoxicity through the production of proteins such as TNF-α and nitric oxide.” Continuing to innovate new attacks on cancer cells with all the tools at our disposal, including cell engineering, genome editing, and synthetic biology, will soon make more types of cancer curable and temporary.

Da:

https://www.biocompare.com/Editorial-Articles/616319-Engineering-Cells-for-Cancer-Therapies/?utm_source=facebook&utm_medium=paidsocial&utm_content=ungated_editorial&fbclid=IwY2xjawI1UI9leHRuA2FlbQEwAGFkaWQBqxkB-l4RCwEdOZce5lRY5uygbwJC81cD28smox_4Dq9x5siWZJVbGgf8PxNL0Nppn9op_aem_t8GFO8vXBvF_lT6yr1Wzgg