Ny kunskap om T-cellreceptorer kan förbättra immunterapier mot cancer

En av de mest spännande framstegen inom cancerbehandling under det senaste decenniet är utvecklingen av T-cellsimmunterapier, där patientens eget immunsystem tränas att känna igen och attackera farliga celler. Ändå har forskarna ännu inte lyckats förstå hur de faktiskt fungerar.

Detta har varit en betydande begränsning, eftersom T-cellsimmunterapier är mycket effektiva för vissa undertyper av cancer, men ineffektiva för de flesta – och orsakerna till detta är oklara. En förståelse av hur de fungerar skulle kunna göra dem till nytta för en mycket bredare grupp av cancerpatienter.

Nu har forskare vid Rockefeller University avslöjat viktiga detaljer om T-cellreceptorn (TCR), som är inbäddad i cellmembranet och avgörande för T-cellterapier.

Med hjälp av kryo-EM för att avbilda proteinet i en biokemisk miljö som replikerar dess naturliga miljö har forskare från Laboratory of Molecular Electron Microscopy upptäckt att receptorn är en sorts jack-in-the-box som springer upp när den utsätts för ett antigen eller en liknande misstänkt partikel. Denna upptäckt strider mot alla tidigare kryo-EM-studier av komplexet.

Den nya upptäckten, som publicerats i Nature Communications, har potential att förfina och utvidga T-cellsterapier.

”Denna nya grundläggande förståelse av hur signalsystemet fungerar kan bidra till att omforma nästa generations behandlingar”, säger försteförfattaren Ryan Notti, instruktör i klinisk forskning i Walz laboratorium och specialforskare vid avdelningen för medicin vid Memorial Sloan Kettering Cancer Center, där han behandlar patienter med sarkom, eller cancer som uppstår i mjukvävnad eller ben.

”T-cellreceptorn är verkligen grunden för praktiskt taget alla onkologiska immunterapier, så det är anmärkningsvärt att vi använder systemet utan att egentligen ha någon aning om hur det fungerar – och det är där grundforskningen kommer in”, säger Walz, en världsexpert inom kryo-EM-avbildning. ”Detta är ett av de viktigaste arbeten som någonsin har kommit från mitt laboratorium.”

Aktivering av T-celler

Walz laboratorium är specialiserat på att visualisera makromolekylära komplex, särskilt cellmembranproteiner, som förmedlar interaktioner mellan cellens inre och yttre. TCR är ett sådant komplex. Denna intrikata, multiproteinstruktur gör det möjligt för T-celler att känna igen och reagera på antigener som presenteras av humana leukocytantigenkomplex (HLA) från andra celler.

Det är denna respons som T-cellsterapier har utnyttjat för att mobilisera patientens eget immunsystem i kampen mot cancer.

Men även om komponenterna i TCR har varit kända i årtionden, har de tidigaste stegen i dess aktivering förblivit okända. Som läkare och forskare var Notti frustrerad över denna kunskapslucka: Många av hans sarkompatienter drog inte nytta av T-cellimmunterapier, och han ville förstå varför.

”Att fastställa detta skulle hjälpa oss att förstå hur informationen kommer från utsidan av cellen, där dessa antigener presenteras av HLA, till insidan av cellen, där signaleringen aktiverar T-cellen”, säger han.

Notti, som tog sin doktorsexamen i strukturell mikrobiologi vid Rockefeller innan han övergick till onkologi, föreslog Walz att de skulle undersöka detta.

Från skräddarsydda membran till förbättrade immunterapier och vacciner

Walz grupp specialiserar sig på att utforma skräddarsydda membranmiljöer som syftar till att efterlikna den naturliga miljön för specifika membranproteiner.

”Vi kan ändra den biokemiska sammansättningen, membranets tjocklek, spänningen och krökningen, storleken – alla typer av parametrar som vi vet har en inverkan på det inbäddade proteinet”, säger Walz.

I studien strävade forskarna efter att skapa en naturlig miljö för TCR och observera hur det betedde sig. För att göra detta placerade de receptorn i en nanodisk, som är en liten skivformad membranplatta som hålls i lösning av ett stödprotein som omsluter skivans kant.

Det var ingen lätt uppgift. ”Det var en utmaning att få alla åtta proteiner korrekt monterade i nanodisken”, säger Notti.

All tidigare strukturell forskning på TCR har utförts i detergent, vilket tenderar att ta bort membranet från proteinet. Detta var den första studien där komplexet återfördes till ett membran, konstaterar Walz.

Därefter påbörjade de kryo-EM-avbildning. Dessa bilder visade att T-cellreceptorn i vilotillstånd hade en sluten, kompakt form. När den aktiverades av en antigenpresenterande molekyl öppnade den sig och sträckte ut sig, som om den bredde ut armarna.

Detta kom som en stor överraskning. ”De data som fanns tillgängliga när vi inledde denna forskning visade att komplexet var öppet och utsträckt i vilande tillstånd”, förklarar Notti.

”Såvitt man visste genomgick T-cellreceptorn inga konformationella förändringar när den band sig till dessa antigener. Men vi upptäckte att den gör det, och springer upp som en slags jack-in-the-box.”

Forskarna menar att kombinationen av två viktiga metoder gjorde deras nya synsätt möjligt. För det första blandade de fram rätt membranlipidblandning för att replikera TCR:s in vivo-miljö. För det andra återförde de receptorn till den membranmiljön med hjälp av nanodiskar före kryo-EM-analysen. De upptäckte att ett intakt membran är avgörande, eftersom det håller TCR på plats tills det aktiveras.

Genom att ta bort membranet med hjälp av detergent hade tidigare studier oavsiktligt släppt spärren på jack-in-the-boxen, vilket fick den att öppnas i förtid.

”Det var viktigt att vi använde en lipidblandning som liknade den i det naturliga T-cellmembranet”, säger Walz. ”Om vi bara hade använt en modellipid hade vi inte heller sett detta slutna vilande tillstånd.”

Forskarna är entusiastiska över potentialen i deras upptäckter för att optimera terapier baserade på T-cellreceptorer.

”Omkonstruktion av nästa generations immunterapier toppar listan över ouppfyllda kliniska behov”, säger Notti. ”Till exempel används adoptiva T-cellterapier framgångsrikt för att behandla vissa mycket sällsynta sarkom, så man kan tänka sig att använda våra insikter för att omkonstruera känsligheten hos dessa receptorer genom att justera deras aktiveringsgräns.”

”Denna information kan också användas för att utforma vacciner”, tillägger Walz.

”Personer inom området kan nu använda våra strukturer för att se detaljerade uppgifter om interaktionerna mellan olika antigener som presenteras av HLA och T-cellreceptorer. Dessa olika interaktionssätt kan ha vissa implikationer för hur receptorn fungerar – och sätt att optimera den.”