DOI: https://doi.org/10.1038/s41423-024-01220-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39379603
تاريخ النشر: 2024-10-08
المؤلف: Han Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: البلعمة وتنظيم المناعة
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على إمكانية البلعمة التي تتم بوساطة البلعميات كاستراتيجية علاجية فعالة للسرطان، خاصة من خلال تثبيط تفاعل CD47-SIRPα باستخدام جسم مضاد محدد لـ CD47. لتعزيز هذه الطريقة مع تقليل السمية للخلايا غير الورمية، قام المؤلفون بتصميم بَلْعَمِيَّات مُهَندَسة بمستقبلات مستضدات شيمرية (CAR-Ms) من خلال دمج جزء متغير أحادي السلسلة مُعَدل مع FcγRIIa وإدخال RNA شعري قصير لإسكات SIRPα. أظهرت خلايا CAR-shSIRPα-M الناتجة نمط ظاهري شبيه بـ M1، وقدرات بلعمة محسنة، وتأثيرات سامة كبيرة ضد خلايا الورم الإيجابية HER2، فضلاً عن القدرة على القضاء على الأعضاء المستمدة من المرضى.
كشفت التجارب الحية أن خلايا CAR-M تثبط نمو الورم بفعالية وتطيل البقاء في الفئران الحاملة للورم. والأهم من ذلك، أن هذه البلعميات المعدلة سهلت زيادة تسلل خلايا T السامة إلى الأورام، مما يعزز الاستجابة المناعية المضادة للورم في نماذج الفئران ذات النظام المناعي المُعَدل وراثيًا والفئران المناعية السليمة. من الناحية الآلية، أدى تثبيط SIRPα إلى تنشيط المسارات الالتهابية وسلسلة إشارات cGAS-STING داخل خلايا CAR-M، مما أدى إلى زيادة إنتاج السيتوكينات الالتهابية، والأنواع التفاعلية من الأكسجين، وأكسيد النيتريك. تشير هذه النتائج إلى أن تثبيط SIRPα يمثل استراتيجية واعدة لتعزيز فعالية خلايا CAR-M المضادة للورم في العلاج المناعي للسرطان، خاصة للأورام الصلبة.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية التقدمات والتحديات في علاج الخلايا المتبنية، وخاصة علاج خلايا T بمستقبلات مستضدات شيمرية (CAR-T)، في معالجة الأورام الخبيثة الدموية والأورام الصلبة. على الرغم من أن علاج CAR-T قد أظهر وعدًا، إلا أن فعاليته ضد الأورام الصلبة محدودة بسبب مشاكل تسلل الورم والبيئة المناعية المثبطة. لتعزيز الإمكانات العلاجية لخلايا CAR-T في الأورام الصلبة، يقترح المؤلفون تحسين تصاميم CAR أو استخدام استراتيجيات العلاج المناعي المركب. تتضمن طريقة جديدة استخدام البلعميات كناقلات لبناء CAR، نظرًا لقدرتها على التسلل إلى الأورام وتنشيط الاستجابات المناعية.
تسلط الورقة الضوء على دراسة مهمة أجراها Klichinsky وآخرون (2020)، والتي أظهرت إمكانية البلعميات المُهندسة بـ CAR (خلايا CAR-M) في استهداف وتدمير الخلايا الخبيثة بفعالية. يصف المؤلفون المكونات الهيكلية لـ CARs، بما في ذلك الجزء المتغير أحادي السلسلة خارج الخلية (scFv)، والنطاق عبر الغشاء، ونطاق الإشارة داخل الخلية، مع الإشارة إلى الاختلافات في اختيار النطاقات داخل الخلوية بين مجموعات البحث. تقدم الدراسة تصميم CAR-M جديد يستهدف الأورام الإيجابية HER2، ويشمل بروتين اندماجي من scFv P1h3 المُعدل مع مستقبل Fc FcγRIIa، إلى جانب RNA شعري قصير (shRNA) لتثبيط SIRPα، مما يعطل محور الإشارة CD47-SIRPα. يعزز هذا الجمع المبتكر نشاط البلعمة ويعزز نمط البلعميات الشبيه بـ M1، مما يؤدي إلى تأثيرات سامة كبيرة على خلايا الورم، وتقليل نمو الورم، وتحسين البقاء في الفئران الحاملة للورم. تشير النتائج إلى أن تثبيط SIRPα لا يعزز فقط نشاط البلعميات ولكن يسهل أيضًا تسلل خلايا T وينشط المسارات الالتهابية، مما يقدم استراتيجية واعدة لتطوير CAR-M في العلاج المناعي للأورام الصلبة.
الطرق
توضح قسم “المواد والطرق” تصميم التجارب والأساليب المستخدمة في الدراسة. تفصل المواد المستخدمة، بما في ذلك الكواشف المحددة، والمعدات، وأي عينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. كما يصف القسم الإجراءات المتبعة، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية، وضوابط، والمنطق وراء الأساليب المختارة.
بالإضافة إلى ذلك، قد يتضمن القسم معلومات حول إعداد التجربة، مثل الظروف التي أجريت فيها التجارب، ومدة كل تجربة، وأي تقنيات محددة استخدمت لجمع البيانات. يضمن هذا النهج الشامل أن النتائج يمكن التحقق منها وتكرارها من قبل باحثين آخرين في هذا المجال.
النتائج
تظهر نتائج هذه الدراسة أن إسكات SIRPα في البلعميات المعدلة بـ CAR يعزز بشكل كبير بلعمتها الخاصة بالمستضد والسمية ضد خلايا الورم الإيجابية HER2 في المختبر. تم تأكيد التعبير العالي عن HER2 في عدة خطوط خلوية سرطانية، وخاصة SKOV3، التي أظهرت أعلى المستويات. سمح إدخال مستضدات HER2 المقطوعة عبر النقل الفيروسي للبلعميات المعدلة بـ CAR باستهداف خلايا HER2 الإيجابية بشكل انتقائي مع تجنب التداخل من إشارة HER2. كشفت تحليلات تدفق الخلايا أن البلعميات المعدلة بـ CAR أظهرت معدلات بلعمة بلغت 22.7% و29.4% لخلايا B16-HER2 الإيجابية HER2، مقارنة بمعدلات منخفضة للضوابط السلبية HER2، مما يشير إلى خصوصية النشاط البلعمي.
أظهرت التحقيقات الإضافية في التأثيرات السامة للبلعميات المعدلة بـ CAR القضاء الفعال على خلايا SKOV3 خلال 24 ساعة، مع ملاحظة قتل يعتمد على الجرعة عبر نسب مختلفة من المؤثر إلى الهدف. بالإضافة إلى ذلك، أشارت تجارب الزراعة المشتركة إلى أن البلعميات CAR-shSIRPα أحدثت مزيدًا من الاستماتة في خلايا الورم مقارنة بنظيراتها CAR. كما وسعت الدراسة نتائجها إلى الأعضاء المستمدة من المرضى (PDOs) من سرطانات المرارة والبنكرياس، حيث التصقت البلعميات المعدلة بـ CAR بفعالية وابتلعت خلايا الورم، مما أدى إلى تدمير كبير لهياكل PDO وزيادة مستويات السيتوكينات الالتهابية، خاصة في وجود البلعميات CAR-shSIRPα. بشكل عام، تؤكد هذه النتائج على إمكانية البلعميات المعدلة بـ CAR كاستراتيجية علاجية واعدة ضد الأورام الإيجابية HER2.
المناقشة
تظهر الدراسة أن مستقبلات المستضدات الشيمرية (CARs) التي تتضمن نطاق FcγRIIa تعزز بشكل كبير قدرات البلعمة للبلعميات، خاصة ضد خلايا الورم الإيجابية HER2. من خلال دمج الجزء المتغير أحادي السلسلة (scFv) المستهدف لـ HER2 مع النطاقات داخل الخلوية لمختلف مستقبلات Fcγ، قام الباحثون بتحسين البلعميات المعدلة بـ CAR التي أظهرت كفاءة بلعمة تبلغ حوالي 65%. من بين التركيبات المختبرة، أظهرت البلعميات P1h3-FcγRIIa أعلى نسبة بلعمة، مما يشير إلى أن FcγRIIa فعالة بشكل خاص في تعزيز البلعمة المستهدفة. بالإضافة إلى ذلك، أدى إدماج shRNA المستهدف لـ SIRPα إلى تعزيز الاستقطاب المضاد للورم الشبيه بـ M1 لهذه البلعميات، مما أدى إلى زيادة التعبير عن علامات السيتوكينات الالتهابية.
توضح الدراسة أيضًا الآليات الأساسية لزيادة النشاط المضاد للورم في البلعميات المعدلة بـ CAR. كشفت التحليلات النسخية أن البلعميات CAR-shSIRPα أظهرت غنىً كبيرًا في المسارات الإشارية الالتهابية والعمليات الجليكولية، مما ساهم في استجابتها المضادة للورم القوية. أظهرت التجارب الحية أن البلعميات المعدلة بـ CAR، وخاصة تلك التي تم تثبيط SIRPα فيها، تثبط نمو الورم والانتشار في نماذج الفئران المختلفة، مما يعزز تسلل خلايا T ويعزز الاستجابة المناعية. تؤكد هذه النتائج على إمكانية البلعميات المعدلة بـ CAR كاستراتيجية علاجية في علاج السرطان، خاصة من خلال استهداف SIRPα لزيادة فعاليتها وتعزيز بيئة مناعية أكثر فعالية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41423-024-01220-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39379603
Publication Date: 2024-10-08
Author(s): Han Zhang et al.
Primary Topic: Phagocytosis and Immune Regulation
Overview
The research highlights the potential of macrophage-mediated phagocytosis as a viable cancer treatment strategy, particularly through the inhibition of the CD47-SIRPα interaction using a CD47-specific antibody. To enhance this approach while mitigating toxicity to non-tumor cells, the authors engineered chimeric antigen receptor macrophages (CAR-Ms) by fusing a humanized single-chain variable fragment with FcγRIIa and incorporating short hairpin RNA to silence SIRPα. The resulting CAR-shSIRPα-M cells demonstrated an M1-like phenotype, improved phagocytic capabilities, and significant cytotoxic effects against HER2-positive tumor cells, as well as the ability to eliminate patient-derived organoids.
In vivo experiments revealed that CAR-M cells effectively inhibited tumor growth and extended survival in tumor-bearing mice. Importantly, these modified macrophages facilitated increased infiltration of cytotoxic T-cells into tumors, thereby amplifying the antitumor immune response in both humanized immune system mouse models and immunocompetent mice. Mechanistically, the inhibition of SIRPα activated inflammatory pathways and the cGAS-STING signaling cascade within CAR-M cells, resulting in elevated production of proinflammatory cytokines, reactive oxygen species, and nitric oxide. These findings suggest that SIRPα inhibition represents a promising strategy to enhance the antitumor efficacy of CAR-M cells in cancer immunotherapy, particularly for solid tumors.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the advancements and challenges of adoptive cell therapy, particularly chimeric antigen receptor T-cell (CAR-T) therapy, in treating hematological malignancies and solid tumors. While CAR-T therapy has shown promise, its effectiveness against solid tumors is limited due to issues with tumor infiltration and the suppressive immune microenvironment. To enhance the therapeutic potential of CAR-T cells in solid tumors, the authors propose refining CAR designs or employing combination immunotherapy strategies. A novel approach involves utilizing macrophages as vectors for CAR constructs, given their ability to infiltrate tumors and activate immune responses.
The paper highlights a significant study by Klichinsky et al. (2020), which demonstrated the potential of CAR-engineered macrophages (CAR-M cells) in effectively targeting and destroying malignant cells. The authors describe the structural components of CARs, including the extracellular single-chain variable fragment (scFv), transmembrane domain, and intracellular signaling domain, noting variations in the choice of intracellular domains among research groups. The study introduces a new CAR-M design targeting HER2-positive tumors, incorporating a fusion protein of the humanized scFv P1h3 with the Fc receptor FcγRIIa, alongside a short hairpin RNA (shRNA) to inhibit SIRPα, thereby disrupting the CD47-SIRPα signaling axis. This innovative combination enhances phagocytic activity and promotes an M1-like macrophage phenotype, leading to significant cytotoxic effects on tumor cells, reduced tumor growth, and improved survival in tumor-bearing mice. The findings suggest that SIRPα inhibition not only boosts macrophage activity but also facilitates T-cell infiltration and activates inflammatory pathways, presenting a promising strategy for CAR-M development in solid tumor immunotherapy.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and methodologies employed in the study. It details the materials used, including specific reagents, equipment, and any biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The section also describes the procedures followed, including any statistical analyses, controls, and the rationale behind the chosen methodologies.
Additionally, the section may include information on the experimental setup, such as the conditions under which experiments were conducted, the duration of each trial, and any specific techniques used for data collection. This comprehensive approach ensures that the findings can be validated and replicated by other researchers in the field.
Results
The results of this study demonstrate that silencing SIRPα in CAR-modified macrophages significantly enhances their antigen-specific phagocytosis and cytotoxicity against HER2-positive tumor cells in vitro. High HER2 expression was confirmed in several cancer cell lines, particularly SKOV3, which exhibited the highest levels. The introduction of truncated HER2 antigens via lentiviral transduction allowed CAR-modified macrophages to selectively target HER2-positive cells while avoiding interference from HER2 signaling. Flow cytometry analysis revealed that CAR-modified macrophages exhibited phagocytosis rates of 22.7% and 29.4% for HER2-positive B16-HER2 cells, compared to low rates for HER2-negative controls, indicating the specificity of the phagocytic activity.
Further investigations into the cytotoxic effects of CAR-modified macrophages showed effective elimination of SKOV3 cells within 24 hours, with significant dose-dependent killing observed across various effector-to-target ratios. Additionally, coculture experiments indicated that CAR-shSIRPα macrophages induced greater apoptosis in tumor cells than their CAR counterparts. The study also extended its findings to patient-derived organoids (PDOs) from gallbladder and pancreatic cancers, where CAR-modified macrophages effectively adhered to and engulfed tumor cells, leading to substantial disruption of PDO structures and increased levels of pro-inflammatory cytokines, particularly in the presence of CAR-shSIRPα macrophages. Overall, these findings underscore the potential of CAR-modified macrophages as a promising therapeutic strategy against HER2-positive tumors.
Discussion
The study demonstrates that chimeric antigen receptors (CARs) incorporating the FcγRIIa domain significantly enhance the phagocytic capabilities of macrophages, particularly against HER2-positive tumor cells. By fusing the single-chain variable fragment (scFv) targeting HER2 with the intracellular domains of various Fcγ receptors, the researchers optimized CAR-modified macrophages that exhibited a phagocytic efficiency of approximately 65%. Among the constructs tested, P1h3-FcγRIIa macrophages showed the highest phagocytic ratio, indicating that FcγRIIa is particularly effective in promoting targeted phagocytosis. Additionally, the incorporation of shRNA targeting SIRPα further enhanced the antitumoral M1-like polarization of these macrophages, leading to increased expression of proinflammatory markers and cytokines.
The study also elucidates the underlying mechanisms of enhanced antitumor activity in CAR-modified macrophages. Transcriptomic analysis revealed that CAR-shSIRPα macrophages exhibited significant enrichment in inflammatory signaling pathways and glycolytic processes, contributing to their robust antitumor response. In vivo experiments demonstrated that CAR-modified macrophages, especially those with SIRPα knockdown, effectively inhibited tumor growth and metastasis in various mouse models, promoting T-cell infiltration and enhancing the immune response. These findings underscore the potential of CAR-modified macrophages as a therapeutic strategy in cancer treatment, particularly through the targeting of SIRPα to augment their efficacy and foster a more effective immune environment.