Sviluppato un chip per la leucemia per valutare le terapie con cellule CAR-T / “Leukemia-on-a-Chip” Developed to Evaluate CAR T-Cell Therapies

 Sviluppato un chip per la leucemia per valutare le terapie con cellule CAR-T / “Leukemia-on-a-Chip” Developed to Evaluate CAR T-Cell Therapies

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

Un gruppo di ricercatori della NYU Tandon School of Engineering ha creato il primo dispositivo di laboratorio che replica sia le caratteristiche strutturali che quelle immunitarie del midollo osseo umano, consentendo agli scienziati di studiare in tempo reale come le immunoterapie con cellule CAR-T interagiscono con la leucemia. Il dispositivo, delle dimensioni di un vetrino da microscopio, utilizza cellule del midollo osseo derivate dal paziente che si auto-organizzano per produrre la propria matrice cellulare, il che potrebbe accelerare significativamente i test preclinici sui candidati all'immunoterapia. I dettagli del nuovo dispositivo sono pubblicati su Nature Biomedical Engineering.

"Ora possiamo osservare lo sviluppo dei trattamenti contro il cancro come avverrebbe in un paziente, ma in condizioni completamente controllate, senza sperimentazione sugli animali", ha affermato l'autore principale Weiqiang Chen, PhD, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale alla New York University.

La piattaforma incorpora tessuto ingegnerizzato che imita tre regioni chiave dell'ambiente del midollo osseo: i vasi sanguigni, la cavità midollare ed il rivestimento osseo esterno, creando un microambiente fisiologicamente rilevante e immunocompetente. I ricercatori hanno scritto che il chip "riassume le caratteristiche microarchitettoniche e patofisiologiche delle nicchie stromali e immunitarie del midollo osseo leucemico umano per la modellazione della terapia con cellule CAR-T".

In precedenti ricerche, il laboratorio Chen aveva sviluppato un dispositivo leukemia-on-a-chip per studiare la chemioresistenza, utilizzando il sequenziamento dell'RNA a singola cellula per studiare le dinamiche immunitarie nel microambiente leucemico. La piattaforma attuale integra le conoscenze biologiche acquisite da questo lavoro precedente con una struttura vascolarizzata tridimensionale ingegnerizzata, consentendo l'imaging di cellule vive in tempo reale e l'analisi molecolare ad alto rendimento.

La terapia con cellule CAR-T si è rivelata un trattamento efficace per molte persone, ma quasi la metà dei pazienti presenta ricadute o manifesta effetti collaterali tossici come la sindrome da rilascio di citochine, una risposta iperattiva all'immunoterapia che può essere potenzialmente letale. I miglioramenti nelle terapie con cellule CAR-T sono stati difficili in parte perché i metodi di test esistenti, che utilizzano colture cellulari 2D o modelli animali, non simulano accuratamente il sistema immunitario umano od il microambiente tumorale.

Il gruppo della New York University ritiene che il loro chip rappresenti un importante progresso che supera questi ostacoli nei test preclinici. Il chip "consente il monitoraggio spaziotemporale in tempo reale della funzionalità delle cellule CAR-T, inclusi l'estravasazione delle cellule T, il riconoscimento della leucemia, l'attivazione immunitaria, la citotossicità e l'uccisione", hanno scritto i ricercatori.

"Abbiamo osservato le cellule immunitarie pattugliare l'ambiente circostante, entrare in contatto con le cellule tumorali e ucciderle una ad una", ha aggiunto Chen.

In modo significativo, il chip ha permesso ai ricercatori di ricreare scenari clinici comuni osservati nei pazienti, tra cui remissione completa, resistenza al trattamento e risposta iniziale seguita da recidiva. I ricercatori hanno riferito che il loro modello "riproduce casi clinici refrattari causati sia da un'espansione inadeguata delle cellule CAR-T che dall'esaurimento dei prodotti di cellule CAR-T", nonché scenari di recidiva causati dalla selezione clonale di cellule tumorali CD19-negative.

Per valutare le prestazioni, i ricercatori hanno sviluppato un indice analitico ed integrativo basato su matrice per valutare diversi design di cellule CAR T. Questo includeva il confronto di design di cellule CAR T di seconda generazione prodotte secondo protocolli diversi e il test di cellule CAR T di quarta generazione con segnalazione potenziata da IL-18. Hanno scoperto che le cellule di nuova generazione hanno prestazioni migliori, soprattutto a dosi più basse, e che metodi di produzione di cellule T più brevi (colture di 3 giorni contro 9 giorni) hanno portato anche a risposte immunitarie più efficaci.

Il chip ha inoltre rivelato un effetto di attivazione bystander, in cui le cellule CAR T hanno stimolato un'ulteriore attività immunitaria oltre ai loro obiettivi primari, un fattore che può influenzare sia l'efficacia sia gli effetti collaterali.

Un punto di forza della piattaforma è la velocità con cui il chip può essere prodotto e reso disponibile per i test. I modelli animali possono richiedere mesi di preparazione, mentre il chip per la leucemia può essere assemblato in mezza giornata e supportare esperimenti di due settimane. "Questa tecnologia potrebbe in futuro consentire ai medici di testare le cellule tumorali di un paziente con diversi modelli terapeutici prima dell'inizio del trattamento", ha affermato Chen. "Invece di un approccio univoco, potremmo identificare quale trattamento specifico sarebbe più efficace per ciascun paziente".

Lo sviluppo del nuovo chip avviene anche in un momento in cui la FDA sta rinnovando i requisiti dei test, con l'obiettivo di eliminare gradualmente gli studi preclinici sugli animali.

Proseguendo la propria ricerca, il gruppo della NYU incorporerà ora lo stroma derivato dal paziente e le cellule derivate da iPSC per modellare ulteriori fattori microambientali immunitari quali l'ipossia e la rigidità della matrice extracellulare e per acquisire una migliore comprensione del ruolo dell'ematopoiesi clonale nella risposta e nella tossicità delle cellule CAR T.

"Il nostro modello di immuno-oncologia ingegnerizzata su tessuti offre una piattaforma di medicina di precisione ideale per la valutazione preclinica delle immunoterapie con cellule CAR T", hanno scritto i ricercatori, "che può accelerare lo sviluppo preclinico delle cellule CAR T, colmare le lacune biologiche e tecniche tra studi preclinici e sperimentazioni cliniche e, in definitiva, aprire la strada ad uno screening affidabile dei pazienti responder e non responder e sviluppare una terapia ottimale con cellule CAR T".

ENGLISH

A team of researchers at NYU Tandon School of Engineering has created the first laboratory device that replicates both the structural and immune features of human bone marrow, allowing scientists to study how CAR T-cell immunotherapies interact with leukemia in real time. The microscope slide sized “leukemia on a chip” device uses patient-derived bone marrow cells that self-organize to produce their own cellular matrix, which could significantly accelerate preclinical testing of immunotherapy candidates. Details of the new device are published in Nature Biomedical Engineering.

“We can now watch cancer treatments unfold as they would in a patient, but under completely controlled conditions without animal experimentation,” said senior author Weiqiang Chen, PhD, a professor of mechanical and aerospace engineering at NYU.

The platform incorporates engineered tissue that mimics three key regions of the bone marrow environment: the blood vessels, the marrow cavity, and the outer bone lining to create a physiologically relevant and immunocompetent microenvironment. The researchers wrote that the chip “recapitulates microarchitectural and pathophysiological characteristics of human leukemia bone marrow stromal and immune niches for CAR T cell therapy modeling.”

In earlier research, the Chen lab had developed a leukemia-on-a-chip device to investigate chemoresistance, using single-cell RNA sequencing to study immune dynamics in the leukemia microenvironment. The current platform integrates the biological insights gained from this earlier work with an engineered three-dimensional vascularized structure, enabling real-time live-cell imaging and high-throughput molecular analysis.

CAR T-cell therapy has been an effective treatment for many people, but nearly half of patients relapse or experience toxic side effects such as cytokine release syndrome, an overactive response to the immunotherapy that can be life-threatening. Improvements in CAR T therapies have been difficult in part because existing testing methods using either 2D cell cultures or animal models do not accurately simulate the human immune system or tumor microenvironment.

The NYU team believe their chip represents an important advance that overcomes these preclinical testing hurdles. The chip “empowers real-time spatiotemporal monitoring of CAR T cell functionality, including T cell extravasation, recognition of leukemia, immune activation, cytotoxicity and killing,” the investigators wrote.

“We observed immune cells patrolling their environment, making contact with cancer cells, and killing them one by one,” Chen added.

Significantly, the chip allowed researchers to recreate common clinical scenarios observed in patients including complete remission, treatment resistance, and initial response followed by relapse. The researchers reported that their model “reproduces clinical refractory cases driven by both inadequate CAR T cell expansion and exhaustion in CAR T cell products,” as well as relapse scenarios caused by clonal selection of CD19-negative cancer cells.

To assess performance, the researchers developed a matrix-based analytical and integrative index to evaluate different CAR T cell designs. This included comparing second-generation CAR T designs manufactured under different protocols and testing fourth-generation CAR T cells with IL-18-enhanced signaling. They found the newer generation cells performed better, especially at lower doses and that shorter T cell manufacturing methods (3-day vs. 9-day cultures) also resulted in more effective immune responses.

The chip also revealed a bystander activation effect, where CAR T cells stimulated additional immune activity beyond their primary targets—a factor that may affect both efficacy and side effect.

One strength of the platform is speed at which the chip can be produced and available to for testing. Animal models can take months to prepare, while the leukemia chip can be assembled in half a day and supports two-week experiments. “This technology could eventually allow doctors to test a patient’s cancer cells against different therapy designs before treatment begins,” Chen said. “Instead of a one-size-fits-all approach, we could identify which specific treatment would work best for each patient.”

Development of the new chip also comes at a time when new FDA is revamping their testing requirements with an eye toward phasing out preclinical animal studies.

Continuing their research, the NYU team will now incorporate patient-derived stroma and iPSC-derived cells to model additional immune microenvironmental factors such as hypoxia and extracellular matrix stiffness, and to gain a better understanding of the role of clonal hematopoiesis in CAR T response and toxicity.

“Our tissue-engineered immune-oncology model offers an ideal precision medicine platform for preclinical evaluation of CAR T cell immunotherapies,” the researchers wrote, “which can accelerate preclinical CAR T cell development, bridge up biological and technical gaps between preclinical studies and clinical trials, and ultimately pave ways to reliably screen responders and non-responders and develop optimal CAR T cell therapy.”

Da:

https://www.insideprecisionmedicine.com/topics/oncology/leukemia-on-a-chip-developed-to-evaluate-car-t-cell-therapies/?_hsenc=p2ANqtz-9LWomSU5jqhMHsGEjWIo6wQhEhOYkKEZk5yF6v5nY4uPQaVztqR-yHuzLTYLirrVog0FLIzhf1jfIvtw4AR40lnV9jTHhqbeW_1q4s0PgQDLx5YT0&_hsmi=369539003