När dåliga celler blir bra: att utnyttja cellulär kannibalism för cancerbehandling

A Petri dish transforms into a canvas in Ph.D. student Hadley Hanson's painting of macrophages engulfing cancer cells. Credit: Hadley Hanson
A Petri dish transforms into a canvas in Ph.D. student Hadley Hanson's painting of macrophages engulfing cancer cells. Credit: Hadley Hanson

Forskare har löst ett cellulärt mordmysterium nästan 25 år efter att fallet blev kallt. Genom att följa ett spår av bevis från bananflugor till möss och människor kunde man konstatera att kannibalistiska celler sannolikt orsakar en sällsynt immunbrist hos människor. Nu visar upptäckten att den är lovande för att förbättra en framväxande cancerbehandling.

”Den här artikeln tar oss från mycket grundläggande cellbiologi hos en fluga till att förklara en mänsklig sjukdom och utnyttja den kunskapen för en cancerbehandling”, säger Denise Montell från UC Santa Barbara. ”Vart och ett av dessa steg känns som en stor upptäckt, men här är de, alla i en och samma artikel.”

Forskarna i Montells laboratorium publicerade sina resultat i Proceedings of the National Academy of Sciences och undersöker nu mekanismerna och konsekvenserna.
En uråldrig gen

Huvudpersonen i den här historien är en gen, Rac2, och det protein som den kodar för. Rac2 är en av tre Rac-gener hos människan. ”Rac är mycket gammal i evolutionen, så den måste ha en grundläggande funktion”, säger huvudförfattaren Montell, Duggan Professor och Distinguished Professor of Molecular, Cellular, and Developmental Biology.

Rac-proteiner hjälper till att bygga en cells byggnadsställning, det så kallade cytoskelettet. Cytoskelettet består av dynamiska filament som gör att cellerna kan behålla sin form eller deformeras, allt efter behov. När Montell 1996 studerade en liten grupp celler i fruktflugans äggstock fastställde han att Rac-proteinerna spelar en avgörande roll för cellernas rörelser. Sedan dess har det blivit tydligt att Rac är en nästan universell regulator av cellmotilitet i djurceller.

På 90-talet lade hon märke till att en hyperaktiv form av Rac1-proteinet, som uttrycktes i endast ett fåtal celler i en flugas äggkammare, förstörde hela vävnaden. ”Att bara uttrycka detta aktiva Rac i sex till åtta celler dödar hela vävnaden, som består av cirka 900 celler”, förklarar huvudförfattaren Abhinava Mishra, projektforskare i Montells laboratorium.

Varför hände detta? Hur fungerar det? ”Det här var vårt 25 år gamla cold case”, säger Montell.

För några år sedan började bevisen för att cellätande, även känt som kannibalism, är inblandat i vävnadsförstörelse att hopa sig. Det finns ett steg i flugans normala äggutveckling där vissa celler som liknar gränscellerna konsumerar sina grannar eftersom de inte längre behövs. Cellulär kannibalism är faktiskt inte så sällsynt som man skulle kunna tro: Miljontals gamla röda blodkroppar elimineras från människokroppen på detta sätt varje sekund.

Rac2 är en komponent i den komplexa ätprocessen. Rac hjälper den ätande cellen att omsluta sitt mål. Teamet var nyfiket på om en hyperaktiv form av proteinet fick gränsceller att i förtid konsumera sina grannar.

För att detta ska ske måste gränscellerna känna igen sina mål, vilket kräver en särskild receptor. När Mishra blockerade denna receptor konsumerade de gränsceller som uttryckte aktiverat Rac inte sina grannar, och äggkammaren förblev levande och frisk.

”Vårt 25 år gamla kalla fall löstes, och det var mycket tillfredsställande för oss”, utbrast Montell. ”Men det här är ett ganska nischat område inom Drosophilas äggutveckling.” Konsekvenserna skulle dock snart växa.

En mystisk immunsjukdom

Ungefär samtidigt som hennes labb gjorde sitt genombrott fick Montell nys om en spännande studie i tidskriften Blood. I artikeln konstaterades att tre obesläktade personer som led av återkommande infektioner hade exakt samma mutation, som hyperaktiverar Rac2, ett Rac-protein som produceras i blodceller. Hon misstänkte att hennes laboratoriums nyligen gjorda avslöjande om bananflugor skulle kunna kasta ljus över denna gåta.

Patienternas mutation var bara svagt aktiverande, men det var ändå tillräckligt för att de alla skulle drabbas av flera infektioner och till slut behöva benmärgstransplantationer. Blodprover visade att dessa patienter nästan helt saknade T-celler, en specialiserad typ av vita blodkroppar som är avgörande för immunförsvaret. Teamet vid National Institutes of Health förde in Rac2-mutationen i möss och fann samma mystiska förlust av T-celler. De fann också att T-cellerna med hyperaktivt Rac utvecklades normalt i djurens benmärg och migrerade till thymus, där de fortsatte att mogna utan incidenter. Men sedan verkade de bara försvinna. Artikeln avslutades med ett mysterium: vad var det som fick T-cellerna att försvinna?

Författarna till denna tidskriftsstudie hade lagt märke till att många av patienternas neutrofiler – en annan typ av vita blodkroppar – var förstorade. De verkade konsumera en hel del material, ett ovanligt beteende hos en i övrigt frisk person.

Många aspekter av immunsystemet är inblandade i dessa resultat. Kredit: Matt Perko, UC Santa Barbara
Många aspekter av immunsystemet är inblandade i dessa resultat. Kredit: Matt Perko, UC Santa Barbara

Montell undrade om patienternas T-celler försvann för att deras medfödda immunceller, som neutrofiler med aktivt Rac2, åt upp dem, ungefär som bananflugans gränsceller med aktivt Rac åt upp äggkammaren. Hennes team vände sig till makrofager – neutrofilens mer glupska motsvarighet – för att undersöka saken. Mishra odlade mänskliga makrofager med och utan hyperaktivt Rac2 tillsammans med T-celler. Han observerade att makrofager med hyperaktivt Rac konsumerade fler celler, vilket bekräftade gruppens hypotes från deras arbete med bananflugor.

För att testa om detta kunde orsaka den observerade immunbristen tog medförfattaren Melanie Rodriguez (doktorand i Montells laboratorium) benmärgsprover från möss med samma hyperaktiva Rac2-mutation som hittades hos patienterna. Hon odlade sedan stamcellerna från benmärgen till makrofager och utförde ett liknande experiment som Mishra, men den här gången blandade hon både makrofager och T-celler med och utan Rac2-mutationen.

Hon fann att makrofager med aktivt Rac2 konsumerade betydligt fler T-celler än sina normala motsvarigheter. T-celler med aktivt Rac2 var dock också mer sårbara för konsumtion från båda typerna av makrofager. Den troligaste förklaringen till att patienterna saknade T-celler var därför en kombination av ökad konsumtion från makrofager och ökad sårbarhet hos T-cellerna själva. Ett mänskligt medicinskt mysterium löstes baserat på grundläggande observationer i bananflugor.
Utnyttja celler som inte fungerar som de ska

Konsekvenserna av dessa insikter utvidgades i januari 2020, när medförfattaren Meghan Morrissey intervjuades för en fakultetstjänst vid UCSB. I sitt föredrag beskrev hon hur man kan programmera makrofager att äta cancerceller som en ny behandling mot sjukdomen, en metod som kallas CAR-M. Morrissey hade funnit att tillsats av en CAR-receptor till makrofager främjade detta beteende. Men det stod också klart att metoden skulle bli mer effektiv om man fick makrofagerna att äta mer – särskilt om de specifikt skulle konsumera, och döda, hela cancerceller.

Om det var något som Montell och hennes labb hade lärt sig så var det hur man får makrofager att äta och döda hela, levande celler. Därför samarbetade de med Morrissey, som nu är biträdande professor i molekylär-, cell- och utvecklingsbiologi, för att fastställa om tillsats av aktiverat Rac2 skulle öka effektiviteten hos CAR-M-metoden.

Rodriguez odlade makrofager från benmärgen hos normala och mutanta möss med aktiverat Rac2. I var och en av dessa grupper uttryckte Morrissey antingen en dummy-receptor eller CAR-receptorn, som känner igen B-celler (en annan typ av vita blodkroppar). De fann att de normala och hyperaktiva Rac-cellerna med dummy-receptorer inte åt många B-cellsmål. De normala makrofagerna med CAR-receptorer konsumerade betydligt fler B-celler, vilket Morrissey tidigare hade visat. Makrofagerna med både hyperaktiv Rac och CAR-receptorer åt dock dubbelt så många B-celler som gruppen med enbart CAR-receptorer. Aktiverat Rac2 tycktes också öka antalet så kallade ”super eaters”, det vill säga de rovgiriga makrofager som äter och dödar flera olika cancerceller.

Resultaten gjorde det tydligt att både aktiverat Rac och receptorn var nödvändiga för den förstärkta effekten. ”Om man tillsätter aktivt Rac utan rätt receptor gör det ingenting”, förklarade Montell.

Denna kontrollnivå är goda nyheter för alla potentiella behandlingar eftersom det skulle ge läkarna ett sätt att fokusera de modifierade makrofagernas angrepp på cancerceller. Förhoppningsvis behöver läkarna inte heller oroa sig för att de modifierade cellerna ska äta upp patientens T-celler, eftersom T-cellerna inte skulle ha den aktiva Rac2-mutationen som gör dem mer sårbara för detta, vilket Rodriguez tidigare hade upptäckt.

Det finns idag en cancerbehandling som kallas CAR-T, där CAR-receptorn och patientens egna T-celler används för att angripa och förstöra cancer. Den är mycket effektiv mot vissa cancerformer, men det finns många som inte svarar. CAR-M, en nyare kusin till CAR-T, har nyligen inlett kliniska prövningar på människor och verkar hittills vara säker. Montell och hennes grupp är intresserade av att utnyttja Rac-förstärkta CAR-makrofager för att öka effekten av CAR-M-behandlingar. De har lämnat in en preliminär patentansökan för tekniken – som de kallar Race CAR-M – och inbjuder bioteknikföretag att samarbeta för att vidareutveckla metoden.

Den nya mångfacetterade artikeln väcker både grundläggande vetenskapliga och praktiska frågor, som laboratoriet har börjat ta itu med. De undersöker om tekniken, som är så effektiv i labbet, också kommer att fungera i nyinsamlade mänskliga immunceller och i djurmodeller för cancer, i möss och zebrafiskar. Teamet undersöker också hur Rac2 får allt detta att hända på molekylär nivå, djupt inne i cellerna.

Längre fram vill Montell veta hur många olika typer av cancer som RaceCAR-M-behandlingen kan vara framgångsrik mot. Som jämförelse har CAR-T varit effektivt mot cancerformer som leukemi och lymfom, men inte mot solida tumörer som bröst-, lung- eller tjocktarmscancer.

Resultaten har överraskat Montell, en ansedd cellbiolog med långt över 100 vetenskapliga artiklar bakom sig. ”Det här är min favoritartikel hittills”, säger hon.

”Vi hade ett 25 år gammalt kallt fall i bananflugor, och vi löste det”, tillade Montell. ”Och det hjälpte oss att lösa mysteriet med en oförklarlig immunbrist hos människor. Och sedan utnyttjade vi den kunskapen för att förbättra en potentiell immunterapi mot cancer.

”Det var bara det ena mysteriet efter det andra, och Rac visade sig vara svaret på vart och ett av dem.”

Ytterligare information: Abhinava K. Mishra et al, Hyperactive Rac stimulates cannibalism of living target cells and enhances CAR-M-mediated cancer cell killing, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2310221120

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.