腫瘍の「盾」を腫瘍そのものに対する武器に変える

ピーター・インシオ・ワン氏によると、腫瘍細胞は「狡猾」です。癌細胞は、これらの癌性侵略者と戦うヒトの免疫反応を回避するための巧妙な方法を持っています。腫瘍細胞はプログラム細胞死リガンド1（PD-L1）分子を発現し、これが免疫細胞を抑制する防御シールドとして機能し、標的がん免疫療法の障害となります。

ワン氏は、アルフレッド E. マン バイオメディカル エンジニアリング チェアであり、ドワイト C. およびヒルダガード E. バウム バイオメディカル エンジニアリング チェアも兼任しており、人間の免疫システムを利用して将来の癌との闘いの武器を作り出す人工免疫療法の先駆的研究に特化した研究室を率いています。

王氏の研究室の研究者らは、腫瘍細胞の巧妙な防御機構を自らに逆らわせる新しい手法を開発した。この手法では、これらの「シールド」分子が、王氏が研究室で設計し、がんを攻撃するようプログラムされたキメラ抗原受容体（CAR）T細胞の標的となる。

この研究は、王氏の研究室の博士研究員であるリンシャン・チュー氏が、王氏、研究科学者のロンウェイ・リウ氏、および共著者らとともに行ったもので、ACS Nano誌に掲載された。

CAR-T細胞療法は、白血球の一種であるT細胞を患者から採取し、独自のキメラ抗原受容体（CAR）を投与する画期的ながん治療法です。CARはがん細胞に関連する抗原に結合し、T細胞にがん細胞を殺傷するよう指示します。

王氏の研究室による最新の研究は、CAR T細胞用に設計されたモノボディで、研究チームはこれをPDbodyと呼んでいる。これはがん細胞上のPD-L1タンパク質に結合し、CARが腫瘍細胞を認識してその防御をブロックできるようにする。

「CARを本物の車に例えてみてください。エンジンとガソリン、そしてブレーキも搭載されています。基本的に、エンジンとガソリンはCAR-Tを前進させて腫瘍を死滅させます。しかし、PD-L1はそれを止めるブレーキのような役割を果たします」とワン氏は述べた。

この研究で、Zhu氏、Liu氏、Wang氏らの研究チームは、この阻害性「ブレーキ」機構をブロックし、PD-L1分子を破壊の標的とするようにT細胞を設計した。

「このキメラPDbody-CAR分子は、CAR T細胞に腫瘍を攻撃、認識、そして死滅させることができます。同時に、腫瘍細胞がCAR T細胞の攻撃を阻止するのを阻止し、阻害します。こうして、CAR T細胞はより強力になります」と王氏は述べた。

CAR-T細胞療法は、白血病などの「ウェット」がんに対して最も効果的です。研究者にとっての課題は、がん細胞と健康な細胞を区別できる高度なCAR-T細胞の開発です。

王氏の研究室では、健康な組織に影響を与えずにCAR T細胞が腫瘍部位で活性化されるように、この技術を腫瘍に標的とする方法を研究している。

本研究では、研究チームはPD-L1タンパク質を発現する高浸潤性乳がんに焦点を当てました。しかし、PD-L1は他の種類の細胞にも発現しています。そこで研究者らは、腫瘍を取り囲む細胞や基質といった腫瘍特有の微小環境に注目し、設計したPDbodyがより特異的にがん細胞に結合することを確認しました。

「腫瘍微小環境のpHは比較的低く、やや酸性であることが分かっています」とチュー氏は述べた。「そこで、PDbodyが酸性の微小環境でもより優れた結合能を発揮し、腫瘍細胞と周囲の細胞を区別できるようにしたいと考えました。」

治療の精度を高めるため、研究チームは SynNotch と呼ばれる遺伝子「ゲート」システムを使用しました。これにより、PDbody を含む CAR T 細胞が CD19 と呼ばれる別のタンパク質を発現しているがん細胞のみを攻撃し、健康な細胞を損傷するリスクが軽減されます。

「簡単に言うと、このSynNotchゲートシステムのおかげで、T細胞は腫瘍部位でのみ活性化されます」とチュー氏は述べた。「pH値が酸性に傾くだけでなく、腫瘍細胞の表面がT細胞を活性化するかどうかを決定するため、2段階の制御が可能になります。」

チュー氏は、研究チームがマウスモデルを使用し、その結果、SynNotchゲーティングシステムがPDbodyを含むCAR T細胞を腫瘍部位でのみ活性化するように指示し、動物の他の部分に対しては安全なまま腫瘍細胞を死滅させることが示されたと指摘した。

PDbodyを作成するための進化に着想を得たプロセス

研究チームは計算論的手法を用い、進化のプロセスから着想を得て、特化したPDボディを作製しました。指向性進化とは、生物医学工学において、実験室環境で自然選択のプロセスを模倣するために使用されるプロセスです。

研究者たちは、どのバージョンが最も効果的かを発見するために、設計したタンパク質の反復の巨大なライブラリを備えた指向性進化プラットフォームを作成した。

「腫瘍の表面にあるPD-L1を認識する何かを作る必要があった」とワン氏は語った。

「指向性進化を用いて、多数の異なるモノボディ変異体を選択し、PD-L1に結合するものを選び出しました。選択されたバージョンは、腫瘍のPD-L1を認識するだけでなく、そのブレーキ機構を阻害し、CAR-T細胞を腫瘍表面に誘導して腫瘍細胞を攻撃・死滅させるという特徴を備えています。」

「海の中で特定の魚を見つけたいとしたら、想像してみてください。それは本当に難しいでしょう」とリュー氏は述べた。「しかし、私たちが開発した指向性進化プラットフォームを使えば、適切な機能を持つ特定のタンパク質を探し出すことができるのです。」

研究チームは現在、臨床応用に進む前に、これらのタンパク質を最適化し、より精度と効果の高いCAR-T細胞を作製する方法を模索しています。これには、これらのタンパク質を王教授の研究室が開発した画期的な集束超音波アプリケーションと統合し、CAR-T細胞を遠隔制御して腫瘍部位のみで活性化させることも含まれます。

「私たちは今、これらの免疫細胞を操作、制御、プログラムし、大きな力と機能を発揮させるためのあらゆる遺伝子ツールを保有しています」とワン氏は述べた。「特に困難な固形腫瘍の治療において、免疫細胞の機能を誘導する新たな方法を開発したいと考えています。」