Более 50% пациентов не отвечают на современные иммунотерапевтические препараты, а среди тех, кто первоначально отвечает, многие становятся устойчивыми к их действию. Таким образом, помимо разработки более эффективных иммунотерапевтических препаратов, врачам необходимо уметь определять, какие пациенты хорошо реагируют на них в начале лечения, а какие продолжают или перестают реагировать, чтобы принимать оптимальные решения о лечении.

Поскольку раковые поражения кожи у больных меланомой легко доступны, эффективным способом их уничтожения может стать местное применение иммунотерапии, а не системное введение ее в кровь. Кроме того, мониторинг реакции иммунной системы на терапию непосредственно в месте расположения опухоли путем чувствительного и непрерывного измерения различных биомаркеров, сигнализирующих о предполагаемой активации иммунных клеток и желательной воспалительной реакции, мог бы обеспечить более качественное и персонализированное лечение пациентов.

Теперь группа исследователей из Института Уисса при Гарвардском университете, Массачусетского технологического института и Женской больницы Бригама в Бостоне разработала новый подход, объединяющий минимально инвазивную и безболезненную платформу микроигл, способную поглощать окружающую клетки жидкость, содержащую биомаркеры, из глубоких слоев кожи, и сверхчувствительный метод обнаружения одиночных молекул (Simoa), который позволяет выявлять зачастую редкие, но важные биомаркеры с большей чувствительностью, чем традиционные методы.

Исследователи доказали правильность своего подхода на мышиной модели меланомы, на которой проводилось лечение раковых образований с помощью новой терапии. Терапия действует локально на опухолевые поражения, сочетая неинвазивный фокусированный ультразвук (FUS), который генерирует тепло в месте опухоли для мгновенного уничтожения опухолевых клеток, и доставку ранее разработанного активатора белка, вызывающего воспаление, известного как стимулятор генов интерферона (STING), связанного с наночастицами. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.

Быстрое считывание реакции на терапию меланомы с помощью микроигл может обеспечить эффективный скрининг лекарственных препаратов и стратификацию пациентов для достижения максимального терапевтического эффекта, — сказала Натали Артци (Natalie Artzi), доктор философии, руководитель исследования.

Артци также является адъюнкт-профессором медицины Гарвардской медицинской школы (HMS) и главным научным сотрудником Института медицинской инженерии и науки Массачусетского технологического института.

Иммунотерапия на местном уровне

Артци и ее группа впервые разработали локальную иммунотерапию меланомы, в которой были использованы некоторые из ранее внедренных ими методов и знаний. В своей недавней публикации, опираясь на известный факт, что активация вызывающего воспаление белка STING способствует гибели опухолевых клеток, они сообщили о значительно более эффективном способе активации этого белка в иммунных клетках. Естественные активаторы (агонисты) STING недостаточно стабильны в организме и должны вводиться в высоких дозах, что также может вызывать побочные эффекты.

Группа решила доставить несколько копий синтетического агониста STING, называемого синтетическим циклическим динуклеотидом (CDN), с помощью наночастиц (NP), которые легко преодолевают плазматическую мембрану и с помощью специально разработанной ферментативной реакции высвобождают свой груз внутри клеток. Этот терапевтический препарат CDN-NP может быть непосредственно введен в раковые опухоли кожи или рядом с ними для дополнительного повышения концентрации препарата в опухоли.

В данном случае мы решили усилить переработку антигенов отмирающих опухолевых клеток с помощью фокусированного ультразвука в сочетании с доставкой STING-агонистов в микроокружение опухоли, чтобы скоординировать более широкий иммунный ответ, — говорит первый автор исследования Даниэль Дахис, доктор философии.

Дахис, научный сотрудник стартапа BioDevek, выполнял дипломную работу по исследованию вместе с Артци под руководством соавтора Хаима Ажари, доктора философии, профессора Израильского технологического института Technion и эксперта в области медицинской визуализации.

Команда впервые показала, что лечение фокусированным ультразвуком (FUS), который кратковременно и на небольших участках повышает температуру до 60°C, потенцирует эффект лечения CDN-NP в совместных культурах иммунных и раковых клеток в блюде и в опухолях меланомы у мышей, которых они лечили этой комбинацией. Важно отметить, что через 60 дней после лечения все животные, получавшие только FUS-терапию, погибли, в то время как 75% животных, получавших только CDN-NP-терапию, были живы — комбинированное лечение позволило выжить 100% животных в их группе.

Исследование биомаркеров кожи

Чтобы выяснить, отражаются ли преимущества комбинированной терапии в плане выживаемости на уровне биомаркеров в месте расположения опухоли, что в будущем может позволить отслеживать ответные реакции у пациентов, получающих иммунотерапию, группа Артци ранее разработала новый тип малоинвазивных микроигл из гиалуроновой кислоты, которые в принципе могут быть использованы для одновременной доставки лекарств и определения биомаркеров. Эти устройства проникают в нижние (дермальные) слои кожи, где полимер сталкивается с жидкостью, окружающей клетки кожи, так называемой интерстициальной жидкостью кожи (ISF), и, подобно губке, впитывает ее в ничтожных количествах.

Всего несколько микролитров ISF, полученных с помощью микроигл, дают богатую информацию о биомаркерах, поскольку нормальные клетки кожи, клетки местного иммунитета и раковые клетки постоянно выделяют различные сигнальные молекулы и метаболиты, — говорит Дахис.

После извлечения микроигл их кончики можно просто растворить, чтобы выпустить захваченные молекулы в пробирку и начать анализ биомаркеров.

Однако, хотя исследователи увидели, что FUS явно добавляется к иммунному ответу, вызванному CDN-NP в опухолях, многие биомаркеры, представляющие интерес, включая гены, включаемые активированным белком STING, были едва различимы или вообще не обнаруживались с помощью обычных методов. Чтобы преодолеть это препятствие, группа Артци объединила свои усилия с группой сотрудника основного факультета Wyss Дэвида Уолта, доктора философии, который ранее разработал технологию Simoa, обладающую сверхчувствительными возможностями обнаружения биомаркеров.

По сути, Simoa позволяет исследователям захватывать интересующий их белок-биомаркер с помощью специфической молекулы антитела, связанной с магнитной бусиной, размер которой намного больше размера самого антитела. Затем связанный белок с помощью второго детекторного антитела «сэндвичится» в отдельных лунках многолуночного планшета, в каждую из которых может поместиться только одна магнитная бусина. Детекторное антитело мечено ферментом, который генерирует флуоресцентный сигнал в лунке. Таким образом, Simoa позволяет вести цифровой подсчет отдельных белков-биомаркеров на уровне одной молекулы, что значительно превосходит чувствительность обычно используемых методов детекции.

Соавтор Тал Гильбоа, доктор философии, из группы Уолта разработал четыре анализа Simoa для обнаружения молекул, экспрессия которых активируется STING: интерферона-b (IFN-b), MCP-1 и KC, которые привлекают иммунные клетки к опухолям, а также общего маркера воспаления интерлейкина-6 (IL-6). Это позволило исследователям обнаружить эти биомаркеры в образцах ИФН, извлеченных микроиглами, с чувствительностью, в 100-1000 раз превышающей чувствительность обычно используемых анализов, и эти измерения совпали с параллельными измерениями тех же биомаркеров в образцах крови, проведенными Симоа.

Поразительно, что животные с наиболее выраженной провоспалительной реакцией выживали дольше всех, — говорит Дахис.

«Замечательная технология микроигл, разработанная в лаборатории Артци и содержащая инженерные наноструктуры, в принципе позволяет одновременно доставлять лекарственные препараты и брать микропробы — совершенно новая концепция тераностики, которая представляет собой идеальное, неинвазивное и комплексное решение для лечения меланомы», — сказал Уолт, который также является профессором биологической инженерии Хансйорга Уисса в Гарвардской медицинской школе (HMS), профессором патологии в больнице Brigham and Women's Hospital и профессором Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI). Уолт вместе с соавтором Рашди Ахмадом, доктором философии, руководит работой Wyss Diagnostic Accelerator, целью которой является сокращение сроков проведения крайне необходимой диагностики в различных областях заболеваний, включая рак.

Эта работа — прекрасный пример междисциплинарного сотрудничества и слияния передовых технологий, к чему мы стремимся в Институте Wyss. Это новое достижение способно поднять качество иммунотерапии рака на новый уровень за счет непосредственной оценки терапевтической эффективности у отдельных пациентов, — отметил в заключение директор-основатель Института Wyss Дональд Ингбер, доктор медицины, доктор философии, профессор сосудистой биологии Джуда Фолкмана в Гарвардской медицинской школе и Бостонской детской больнице, а также профессор биоинженерии Хансйорг Висс в Гарвардской школе инженерных и прикладных наук Джона А. Полсона.