Подход к разработке CAR с использованием ИИ улучшает биспецифические CAR T-клетки
Вычислительный подход ученых из Детской исследовательской больницы Св. Иуды обещает значительно упростить и ускорить разработку иммунотерапии на основе Т-клеток, которая будет воздействовать одновременно на два антигена, связанных с раком.
Химерные антигенные рецепторы (CAR) Т-клеток – это тип иммунотерапии, при котором иммунные клетки пациента перепрограммируются на воздействие на опухолеспецифический белковый антиген. Воздействия только на один поверхностный антиген клетки часто недостаточно для полного уничтожения опухоли. Поэтому учёные пытались создать CAR, воздействующие сразу на два белка. Однако они столкнулись с рядом проблем, включая низкую экспрессию CAR на поверхности Т-клеток и недостаточную эффективность в борьбе с раком.
Для решения этой проблемы исследователи из больницы Святого Иуды разработали вычислительный метод для скрининга множества теоретических тандемных CAR-концепций и ранжировали лучшие из них для дальнейшей оптимизации и валидации. Исследователи экспериментально сгенерировали и проверили лучшие тандемные CAR-концепции на выбранных ими мишенях, продемонстрировав, что оптимизированные с помощью вычислений CAR-концепции преодолевают существующие трудности и эффективнее работают при лечении рака у животных.
Результаты исследования опубликованы в журнале Molecular Therapy .
«Мы разработали и проверили вычислительный инструмент, который может значительно ускорить проектирование тандемных CAR-конструкций с улучшенной поверхностной экспрессией и противоопухолевой функцией», — сообщил соавтор, доктор философии Гиедре Кренчиуте из отделения трансплантации костного мозга и клеточной терапии больницы Св. Иуды.
Хотя CAR T-клетки успешно лечили некоторые виды рака крови, они оказались не столь эффективны при лечении солидных опухолей и опухолей головного мозга . Одна из причин заключается в том, что раковые клетки неравномерно экспрессируют одни и те же белки, поэтому CAR T-клетки, нацеленные на один антиген, могут пропустить злокачественные клетки, не экспрессирующие этот белок, что приводит к повторному росту опухоли и развитию трудно поддающегося лечению рецидива.
Тандемный биспецифический CAR, нацеленный на два белка, связанных с раком, может помешать исходной опухоли избежать лечения, хотя оптимизация их конструкции является длительной, трудоемкой и дорогостоящей задачей в этой области.
«Систематическое экспериментальное препарирование позволило нам впервые точно определить область внутри тандемного CAR, которая была проблемной для экспрессии и функционирования», — сказал соавтор М. Мадан Бабу, доктор философии, член Королевского общества, старший вице-президент по науке о данных, главный специалист по данным, директор Центра передового опыта в области исследований на основе данных и сотрудник кафедры структурной биологии.
«Это было важно и помогло нам направить наши усилия в разработке вычислительного подхода для CAR, который устранял опухоли в наших моделях in vivo более эффективно, чем любые протестированные нами однонаправленные CAR».
Удаление опухолей с помощью оптимизированных с помощью вычислений тандемных CAR
Вычислительный конвейер предсказал более эффективную конструкцию тандемного CAR-антитела, нацеленного на белки B7-H3 и IL-13Rα2, связанные с опухолями головного мозга у детей. Первоначальная неоптимизированная версия биспецифического тандемного CAR-антитела не достигала поверхности Т-клетки, что не позволяло ему связаться с целевым белком на опухолевых клетках для выполнения своей противораковой функции.
Убедившись, что оптимизированный с помощью вычислений CAR экспрессируется на поверхности Т-клеток, исследователи протестировали его против нескольких направленных CAR на мышах с опухолями, в которых присутствовала смесь клеток с обеими мишенями, с одной или другой мишенью или ни с одной из них, что имитировало гетерогенные опухоли, наблюдаемые в клинике.
«Наш самый убедительный результат заключается в том, что мы полностью избавились от опухолей у четырёх из пяти мышей с помощью CAR T-клеток, содержащих оптимизированную с помощью вычислений тандемную конструкцию», — заявила соавтор исследования Микаэла Мил из отделения трансплантации костного мозга и клеточной терапии больницы Святого Иуды. «Напротив, все гетерогенные опухоли, обработанные однонаправленными CAR T-клетками, выросли снова».
Кроме того, группа продемонстрировала, что они могут улучшить конструкцию нескольких других тандемных CAR-клеток в лабораторных условиях. Во всех случаях оптимизированная с помощью вычислений версия уничтожала раковые клетки лучше, чем неоптимизированные тандемные CAR-клетки. Результаты свидетельствуют о том, что использование этого вычислительного метода может быть полезным при разработке других биспецифичных тандемных CAR-клеток для улучшения и ускорения процесса разработки CAR-клеток.
Создание универсального вычислительного инструмента для построения CAR
«Мы разработали этот вычислительный инструмент для широкого применения ко многим различным CAR», — сказал соавтор Калян Иммадисетти из отделения трансплантации костного мозга и клеточной терапии больницы Святого Иуды. «Кроме того, он позволяет провести скрининг примерно 1000 конструкций всего за несколько дней, что значительно ускоряет процесс, который занял бы много лет, если бы исследователи создавали каждую конструкцию в лабораторных условиях».
В частности, для скрининга такого количества конструкций учёные обучили алгоритм на основе искусственного интеллекта структурным и биофизическим характеристикам известных эффективных CAR. К ним относятся такие прогнозируемые свойства, как стабильность сворачивания белка, склонность к агрегации и другие структурные и функциональные характеристики. В совокупности программа суммировала эти характеристики в единый показатель «приспособленности», предсказывающий экспрессию и функциональность CAR. Конструкции CAR с наивысшим показателем приспособленности были дополнительно оптимизированы для улучшения способности связываться с белками.
«Исследователи могут использовать наш подход для скрининга и создания более совершенных тандемных CAR, приближая нас к тому дню, когда мы сможем успешно лечить сложные опухоли, такие как рак головного мозга у детей», — сказал Кренчиуте.
«Эта работа демонстрирует ценность создания интеллектуальной экосистемы, объединяющей учёных-вычислителей и экспериментаторов из разных дисциплин», — сказал Бабу. «Такое сотрудничество способствует инновационным решениям серьёзных задач и развитию трансляционных приложений, служащих миссии Святого Иуды».