За последние два десятилетия иммунная система привлекла все большее внимание из-за своей роли в борьбе с раком. Поскольку исследователи узнают все больше и больше о взаимодействии рака и иммунной системы, несколько противоопухолевых иммунотерапевтических препаратов были одобрены FDA и теперь регулярно используются для лечения нескольких типов рака.
Тем не менее, несмотря на эти достижения, многое остается неизвестным о том, как иммунная система борется с раком, и об иммунитете в целом, говорит Мартин ЛаФлер, научный сотрудник лаборатории Арлин Шарп, заведующей кафедрой иммунологии Института Блаватника Гарвардской медицинской школы. .
Редактирование генов на основе CRISPR, при котором ученые модифицируют геном с помощью инструмента, разработанного чуть более десяти лет назад, стало основой биологических открытий, обеспечивая относительно быстрое понимание функций отдельных генов и целей для новых методов лечения.
Однако, по словам ЛаФлера, этот подход не лишен проблем. Главный из них заключается в том, что трудно модифицировать иммунные клетки , не меняя их биологию, что затрудняет изучение поведения иммунных клеток во всей его сложности в живом организме.
Теперь ЛаФлеру, Шарпу и их команде удалось обойти это препятствие, применив CRISPR новым способом для изучения функции иммунных генов.
Их работа, описанная в двух статьях — одна в журнале Nature Immunology, а другая в журнале экспериментальной медицины — может в конечном итоге дать представление об иммунологии рака, а также о других заболеваниях, вызванных дисфункцией иммунной системы.
Harvard Medicine News поговорили с ЛаФлером о том, что это достижение означает для будущего иммунологических исследований.
Давайте напомним, как работает CRISPR.
Программируемое редактирование генов на основе CRISPR было разработано в 2012 году и стало настолько мощным инструментом биологических исследований, что его первооткрыватели получили Нобелевскую премию по химии в 2020 году.
Система редактирования генов CRISPR использует фермент Cas-9, который действует как молекулярные ножницы, разрезая обе нити ДНК и тем самым нарушая или отключая функцию гена. Чтобы выбрать ген, который нужно нокаутировать, эта система использует дополнительный участок РНК, который соответствует гену и действует как ориентир. Это очень гибкий подход, позволяющий очень быстро выявить и изучить функцию практически любого гена.
Как CRISPR используется для понимания иммунной функции генов?
Иммунные клетки взаимодействуют со многими другими типами клеток, которые невозможно хорошо смоделировать в чашках Петри, поэтому мы предпочитаем, чтобы иммунные исследования проводились внутри живого организма, такого как мышь, — гораздо более надежный способ охватить всю сложность взаимодействия клеток с клетками. клеточные взаимодействия, происходящие в организме, а не в лабораторной чашке. Редактирование CRISPR внутри организма затруднено, поэтому иммунные клетки обычно должны выйти наружу и модифицироваться с помощью этого инструмента в чашке Петри. Отредактированные клетки затем возвращаются в тело.
Однако только определенные типы иммунных клеток могут быть эффективно включены при обратном переносе мышам. Кроме того, сам процесс манипулирования иммунными клетками в чашке может изменить их биологию, поэтому вы можете не изучать то, что на самом деле хотите изучать, когда они будут удалены из организма.
Кроме того, CRISPR использовался только для одновременного отключения одного гена в иммунных клетках. Но наши клетки содержат тысячи генов, так что, если мы хотим вывести из строя несколько генов в разных типах клеток в разное время у одного и того же животного? Это позволит лучше понять сложности генов и их взаимодействия в иммунных клетках с течением времени.
Как ваше новое исследование решает эти проблемы?
Мы решили использовать совершенно другой подход к использованию CRISPR. Вместо того, чтобы напрямую модифицировать интересующие нас иммунные клетки, мы модифицировали их предшественники — стволовые клетки, обнаруженные в костном мозге, которые производят все иммунные клетки. Мы удалили их у мышей и использовали CRISPR, чтобы нокаутировать интересующие нас гены, а затем заменили эти стволовые клетки мышам, у которых были удалены нативные стволовые клетки костного мозга. Мы называем эту систему CHimeric Immune Editing или CHIME.
В более раннем исследовании мы использовали CHIME, чтобы нокаутировать ген под названием Ptpn2, который показал некоторые перспективы для иммунотерапии рака, одного из направлений деятельности лаборатории Шарпа. Когда мы удалили этот один ген в подмножестве иммунных клеток, известных как CD8 + Т-клетки, они стали лучшими борцами с раком.
В нашем исследовании Nature Immunology мы хотели посмотреть, сможем ли мы модифицировать CHIME и сделать его более точным и универсальным. Мы использовали его, чтобы выбить два гена одновременно в нескольких разных типах клеток; мы применили его для целенаправленного воздействия на гены в одном типе клеток; мы использовали CRISPR, чтобы разрушить гены в модифицированных клетках, когда они уже вернулись внутрь животного; и мы также использовали его, чтобы выключить два разных гена в разные моменты времени.
Мы использовали разные тактики, такие как упаковка нескольких направляющих РНК вместе и использование трюка, который отключает гены только при определенных обстоятельствах, например, когда мыши получают лекарство. Нам удалось продемонстрировать, что каждая из этих стратегий осуществима.
Какова ваша конечная цель в этом исследовании?
Наша конечная цель — лучше понять иммунную систему, особенно ее способность бороться с раком. Мы хотим стимулировать сильный противораковый иммунитет — то есть мы хотим оптимизировать борьбу иммунных клеток с опухолями, — но также хотим уберечь здоровые клетки и ткани от иммунной атаки. Это требует очень тонкой калибровки иммунной системы и может оказаться непростым балансом.
Более того, преимущества могут распространяться не только на рак, но и на многие другие заболевания, вызванные иммунной системой, включая аутоиммунные состояния.
Каковы ваши дальнейшие шаги?
Мы только что опубликовали вторую статью [в Журнале экспериментальной медицины ], в которой излагаются основы исследований с использованием CRISPR для проверки функции иммунных генов у живых животных. Центральное место в нашей системе занимает добавление генетического «штрих-кода» к иммунным клеткам, отредактированным с помощью CRISPR, чтобы мы могли отслеживать их размножение и распространение внутри животных.
Мы надеемся, что эта структура и CHIME дадут исследователям новые инструменты для изучения иммунных клеток при раке или любой другой модели заболевания по их выбору, что в конечном итоге приведет к новым иммуноцентрированным методам лечения.
