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Um repertório crescente de imunoterapias baseadas em células e moléculas está oferecendo uma nova esperança aos pacientes com cânceres indomáveis, mobilizando seus sistemas imunológicos contra as células tumorais. Uma classe emergente de tais imunoterapêuticos, conhecida como anticorpos biespecíficos de células T (TCBs), é de importância crescente com vários TCBs que a Food and Drug Administration (FDA) dos EUA aprovou para o tratamento de leucemias, linfomas e mielomas. Esses medicamentos com anticorpos marcam as células tumorais com uma de suas extremidades e atraem as células do sistema imunológico com a outra extremidade para forçá-las a matar as células tumorais.
Um grande desafio no desenvolvimento de TCBs e outros medicamentos de imunoterapia é que os antígenos alvo dos TCBs podem estar presentes não apenas nas células tumorais, mas também nas células saudáveis do corpo. Isso pode levar à morte de células “no alvo e fora do tumor” e lesões indesejadas de órgãos vitais, como rim, fígado e outros, que podem colocar em risco os pacientes que participam de ensaios clínicos. Atualmente, não há humanos em vitro modelos do rim que recapitulem suficientemente a arquitetura 3D, a diversidade celular e a funcionalidade dos órgãos necessários para avaliar os efeitos no alvo e fora do tumor em um estágio pré-clínico.
Agora, um novo estudo interdisciplinar e interorganizacional criou um modelo de tecido renal com infiltração imunológica para investigar os efeitos no alvo e fora do tumor dos TCBs e potencialmente de outros medicamentos de imunoterapia. A equipe de bioengenheiros e imuno-oncologistas que realizaram o estudo no Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada da Universidade de Harvard, na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS), na Escola Médica de Harvard (HMS) e na Roche Innovation Centros na Suíça e na Alemanha desenvolveram um modelo organoide em chip de rim humano com infiltração imunológica, composto de pequenos segmentos de tecido renal que contêm vasculatura e formam néfrons, que podem ser infiltrados por células imunológicas circulantes. Eles usaram este modelo para compreender a toxicidade específica de um composto de ferramenta TCB pré-clínico que tem como alvo o antígeno tumoral bem caracterizado Tumor 1 de Wilms (WT-1) em certos tumores. É importante ressaltar que o WT-1 também é expresso em níveis muito mais baixos no rim, tornando-o um órgão importante para estudar seus potenciais efeitos no alvo e fora do tumor. PNAS.
“Juntamente com nossos colaboradores da Roche, estendemos nosso modelo de organoide em chip de rim vascularizado para incluir uma população de células imunológicas que contém células T citotóxicas com potencial para matar não apenas células tumorais, mas também outras células que apresentam antígenos-alvo”, disse Jennifer Lewis, Sc.D., membro do corpo docente do Wyss Core, autora sênior do estudo. “Nosso ser humano pré-clínico em vitro modelo fornece informações importantes sobre quais células são alvo de um determinado TCB e quais danos fora do alvo, se houver, surgem.” Lewis também é o Hansjörg Wyss Professor de Engenharia de Inspiração Biológica na SEAS e co-líder da Iniciativa de Engenharia de Órgãos 3D do Wyss Institute.
Incorporando imunidade em um organoide renal em chip
Em 2019, o grupo de Lewis, juntamente com o de Joseph Bonventre, MD, Ph.D. no Brigham and Women’s Hospital, juntamente com o coautor Ryuji Morizane, MD, Ph.D., descobriram que a exposição de organoides renais criados a partir de células-tronco pluripotentes humanas ao fluxo constante de fluidos durante sua diferenciação melhorou a vascularização no chip e a maturação dos glomérulos e compartimentos tubulares, relativos a controles estáticos. As observações dos pesquisadores foram possibilitadas por um chip milifluídico impresso em 3D, no qual os organoides renais são submetidos a nutrientes e meios carregados de fatores de diferenciação fluem a taxas controladas durante sua diferenciação. O dispositivo chip permite aos pesquisadores observar diretamente o tecido usando microscopia confocal através de uma janela transparente em tempo real.
“Dado que isso em vitro representa a maioria dos tipos de células no rim e incorpora o sistema imunológico, pode apoiar a avaliação dos efeitos dentro e fora do alvo dos TCBs, bem como interações celulares complexas”, disse Kimberly Homan, Ph.D., ex-pesquisadora de pós-doutorado no laboratório de Lewis, primeiro autor do trabalho inicial e co-autor correspondente deste novo estudo. Desde então, Homan deixou o laboratório de Lewis para se juntar à Genentech como Diretor do Complexo em vitro Laboratório de sistemas onde continuou a fornecer expertise aos colaboradores do projeto.
Ao abordar este desafio, a equipe primeiro avançou em vitro sistema para permitir a circulação contínua de células imunológicas humanas, conhecidas coletivamente como células mononucleares do sangue periférico (PBMCs), através dele e a recuperação de amostras para a análise de proteínas secretadas por células imunológicas. Eles demonstraram que uma taxa de fluxo ideal foi capaz de apoiar a viabilidade de células “efetoras imunes”, uma subpopulação de PBMCs com a capacidade de matar outras células, durante um período de 5 dias, e que essas células realmente se infiltraram nas estruturas semelhantes a néfrons. e microvasos presentes nos organoides renais no chip.
A ferramenta pré-clínica de direcionamento de WT-1 TCB (WT1-TCB) foi criada para se ligar especificamente ao antígeno WT-1 quando apresentado pela proteína HLA na superfície das células alvo, nesse caso células tumorais que expressam WT-1. O HLA ajuda o sistema imunológico a distinguir entre proteínas em células saudáveis e aquelas produzidas por tumores e invasores estrangeiros, familiarizando-o com o repertório normal de proteínas do corpo. A equipe investigou primeiro se a proteína WT-1 normal era expressa em alguma das principais populações de células renais. Eles descobriram que o WT-1 era expresso pelos podócitos, mas era indetectável nas células dos túbulos proximais e distais. Além disso, descobriram que uma proporção significativa destes tipos diferenciados de células renais também expressava HLA.
Colocando os TCBs à prova
Para compreender os efeitos de direcionamento específicos do WT1-TCB, os pesquisadores os compararam com aqueles produzidos por um TCB não específico que poderia se ligar a antígenos em todos os tipos de células renais (TCB semelhante a ESK1, um controle positivo) e um TCB que só poderia se ligar células imunes (DP47, um controle negativo). Os três compostos, de fato, provocaram efeitos surpreendentemente diferentes quando introduzidos no modelo organoide-em-chip renal juntamente com PBMCs sob condições de alto fluxo durante cinco dias. Como esperado, o DP47 causou a morte de muito poucas células, enquanto o TCB semelhante ao ESK1 direcionou e matou todos os tipos de células de uma maneira dependente da dose, recrutando células efetoras imunes.
“É importante ressaltar que nossa descoberta central foi que o composto da ferramenta WT1-TCB resultou na morte seletiva de podócitos que expressam WT-1 nos organoides renais, embora não tenha afetado as células nos túbulos distais e proximais. Isso demonstra de forma convincente que nossa engenharia humano em vitro O sistema organoide em chip renal tem utilidade como ferramenta pré-clínica de desenvolvimento de medicamentos para avaliar toxicidades de TCBs no alvo e fora do tumor como uma nova classe de imunoterápicos”, explicou Katharina Kroll, Ph.D., co-autora do este estudo que realizou seu trabalho de pós-graduação com Lewis e agora é pós-doutorado em seu grupo.No entanto, uma advertência importante do atual sistema renal organoide-em-chip é que os TCBs e PBMCs não são entregues através da a mesma rota que eles seriam na Vivo, onde acessam as células renais através da perfusão e filtração do sangue dentro do compartimento glomerular. No entanto, os autores levantam a hipótese de que na Vivo o acesso ao alvo WT1 nas células glomerulares pelos TCBs seria mínimo. Para testar esta hipótese, Kroll está agora liderando um esforço para tornar o modelo da equipe mais fisiologicamente relevante, criando um modelo organoide em chip de rim vascularizado e perfusável.
“Esta interessante colaboração industrial do grupo de Jennifer Lewis demonstra maravilhosamente como o desenvolvimento de medicamentos pode ser facilitado num ambiente onde a investigação académica, o desenvolvimento tecnológico e áreas terapêuticas específicas se encontram e impulsionam-se mutuamente para a melhoria das populações de pacientes que necessitam tão desesperadamente de novos terapias”, disse o diretor fundador da Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D., que também é o Judah Folkman Professor de Biologia Vascular na Harvard Medical School e no Boston Children’s Hospital, e no Hansjörg Wyss Professor de Engenharia Bioinspirada na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson.
Outros autores do estudo são a coautora Mariana Mata, do grupo de Lewis; Virginie Micallef, Alejandro Carpy, Annie Moisan, Marcel Gruber, Antje-Christine Walz e Estelle Marrer-Berger nas unidades de Pesquisa e Desenvolvimento Inicial da Roche Pharma dos Centros de Inovação da Roche em Basileia, Suíça, e Munique, Alemanha; bem como Ken Hiratsuka do grupo HMS de Morizane. O estudo foi financiado pela Roche Pharma Research & Early Development no Roche Innovation Center Basel, pelo NIH National Center for Advancing Translational 621 Sciences (por meio do prêmio UH3 # TR002155 e pela International Foundation of Ethical Research por meio de uma bolsa para Katharina Kroll.
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