Inženýrské léčí

Neptejte se Sangeety Bhatiové, SM ‘93, PhD ‘97, zda je bioložka nebo inženýrka. Pro ni je tato otázka nepodstatná, stejně jako pro všechny ostatní profesory MIT, kteří ke studiu rakoviny používají nástroje inženýrství i biologie. Když se člověk zaměří na lidská onemocnění, neexistuje skutečná hranice mezi vědou a inženýrstvím a medicínou, říká Bhatia, docent, který vyvíjí nanočástice pro sledování a léčbu rakoviny.

Bhatia je jedním z mnoha výzkumníků MIT, kteří budou mít prospěch ze založení nového Institutu Davida H. Kocha pro integrovaný výzkum rakoviny. Letos na podzim dal David H. Koch ‘62, SM ‘63, MIT 100 milionů dolarů na financování výzkumu, který spojuje biologické a inženýrské přístupy k boji proti rakovině. Kochův institut bude stavět na průkopnické práci Centra pro výzkum rakoviny MIT; členové fakulty centra (spolu s 10 inženýrskými profesory MIT) se stali jeho zakládajícími členy. Kochův dar také urychlí výstavbu nového zařízení pro výzkum rakoviny, které se prolomí letos v březnu a jeho otevření je naplánováno na rok 2010.

Přivést lidi z jiných oborů je v boji proti rakovině důležité, říká ředitel Kochova institutu a profesor biologie Tyler Jacks, který řídil Centrum pro výzkum rakoviny. Máme nejlepší inženýry na světě, takže naše pracovní síla je bezkonkurenční.

Jacks říká, že nahlížení na rakovinu jako na technický problém – relativně nová myšlenka – podporuje nové přístupy k základnímu výzkumu a nové způsoby řešení praktických problémů. Na frontě základního výzkumu to znamená použití myšlení a nástrojů inženýrství: dívat se na buňky jako na složité systémy a využívat počítačové modely, které dokážou dát smysl velkému množství dat. Na straně aplikace to znamená vývoj nových léků, nových materiálů pro dodávání léků a nových zařízení pro sledování progrese onemocnění.

Mnoho výzkumníků rakoviny z MIT již tento přístup přijalo v posledních zhruba pěti letech, říká Jacks, a příliv finančních prostředků a institucionální podpory zajistí, že jejich projekty vzkvétají.

Myšlenka ‚inženýrů‘ a ‚biologů‘ je umělá ze staré školy,“ říká Dane Wittrup, profesor chemického inženýrství a bioinženýrství a člen Kochova institutu. Aby inženýři dokázali cokoli v oblasti biomedicíny, musí mít biologii ve svých laboratořích a ve svých mozcích.

Bhatia, která je držitelkou titulu MD kromě svých titulů MIT, souhlasí. Biologové a inženýři mají doplňkové dovednosti; myšlenky plynou oběma směry, a proto je práce v obou oblastech tak vzrušující, říká: Vidíme mnoho často neočekávaných příkladů inženýrství, které umožňuje vědu prostřednictvím vývoje nástrojů, a vědy, která se prostřednictvím inženýrství převádí do diagnostiky a terapie.

Zde jsou tři projekty na MIT, které ilustrují, jak by spojení inženýrství a biologie mohlo pomoci výzkumníkům porozumět – a nakonec vyléčit – rakovinu.

Evoluce stáčení
Dane Wittrup je proteinový inženýr. Užívá terapie rakoviny a snaží se, aby fungovaly lépe, s méně vedlejšími účinky, kombinací štěstí a designu.

Wittrup vyrábí vysoce výkonné protilátkové terapie, které mobilizují imunitní systém proti rakovinným buňkám, kterým se daří, protože je tělo nedokáže rozpoznat jako maligní. Klasické chemoterapeutické léky jsou jedy s drsnými vedlejšími účinky, říká. Protilátkový protein má na druhé straně obecně méně vedlejších účinků, protože se váže na jeden konkrétní cíl, jako je nádorový antigen. Imunitní systém vidí, že [buňka] má všude protilátky a odpoví: ‚Je pokryta protilátkami, takže ji zabiju,‘ říká.

Wittrup používá to, čemu se říká řízená evoluce, aby mohla vyrábět účinnější proteinové terapie. Říká, že darwinovskou evoluci stáčíte do lahví a sami určujete pravidla přežití. Nejprve vytvoří desítky milionů mutovaných verzí genu pro konkrétní protein a vloží každý gen do kvasinkové buňky. Pak používá různé screeningové techniky k identifikaci kvasinkových buněk nesoucích nejlepší verzi proteinu. Může to být protein, který se nejsilněji váže k danému cíli, nebo protein, který je nejstabilnější v určitém rozsahu teplot, mezi mnoha dalšími možnostmi. Wittrup říká, že proteinoví inženýři zdokonalili řízenou evoluci do té míry, že ji mohou použít k výrobě jakýchkoli proteinů, které chtějí. Nyní, místo toho, aby jen pracoval na nových nástrojích pro navrhování proteinů, používá takové nástroje k výrobě proteinů, které by mohly pomoci při léčbě rakoviny.

Navrhování proteinů už není ta těžká část, říká. Co je těžší a zajímavější, je určit, na kterých proteinech pracovat, co dělají a jak.

Pouhé zlepšení jedné z důležitých vlastností proteinu často nestačí ke zlepšení jeho účinnosti jako léku. Většina lidí je dost naivní, pokud jde o to, co je nezbytné k vytvoření účinné drogy, říká Wittrup. Naivním přístupem, o kterém říká, že je vinen, je testovat terapeutické proteiny pouze na to, jak pevně se vážou na svůj nádorový cíl; ale takové testy, říká, předpokládají, že afinita se rovná potenci. Jsou vedeny zcela mimo kontext, v kapce roztoku buněčné kultury v plastové destičce – mimo tělo, mimo nádory, ze kterých buňky pocházejí.

Wittrup se poučil tvrdě. Použil řízenou evoluci ve snaze zlepšit účinnost protilátky proti karcinoembryonálnímu antigenu (CEA), proteinu, který je nadměrně zastoupen na površích některých nádorů. Protilátka vázající CEA, se kterou začal, spadne z buňky a je odfiltrována z krve dříve, než může vyvolat silnou imunitní odpověď. Vyvinul tedy verzi, která se mnohem silněji vázala na proteiny na povrchu rakovinných buněk. Vazebná síla jeho upravené protilátky byla o dva řády větší než u jakékoli jiné v té době známé protilátky; podle všeho to vypadalo jako velký úspěch. Ale když to testoval na živých myších nesoucích lidskou rakovinu tlustého střeva, nefungovalo to o nic lépe než originál. Jak by to mohlo být?

Vrátíme-li se zpět k nástrojům inženýrství, Wittrup a jeho postgraduální studenti upravili matematické modely běžně používané pro studium průmyslových katalyzátorů, aby prozkoumali kinetiku jeho proteinu vázajícího CEA v nádorech. U živých myší se umělá protilátka stále likvidovala příliš rychle – v tomto případě proto, že byla recyklována dříve, než se stihla dostat do středu nádoru. Proteiny poměrně rychle procházejí všemi buňkami, normálními i rakovinnými, obvykle zůstávají nedotčené pouze minuty nebo hodiny. Rozsekají se na menší kousky, aby se daly znovu použít v nových proteinech. Je to součást normální údržby buněk; stejně jako by váš domov byl smetiště, kdybyste nikdy nevynesli odpadky, buňky by byly zahlceny, kdyby držely každou molekulu, kterou kdy vytvořily nebo přijaly.

I když vazba trvá týden, nezáleží na tom, říká Wittrup. Všechno to jde dolů na likvidaci odpadu.

Wittrup se nyní pomocí svých modelů a spolupráce s odborníky na zobrazování, aby sledoval postup svého proteinu prostřednictvím živých myší, pokouší modifikovat protein tak, aby pronikl skrz nádor příliš rychle na to, aby ho nádorové buňky včas zlikvidovaly. Ale protilátka cílená na CEA je jen jednou z mnoha terapií, které vyvíjí. Další je bezpečnější verze toxického léku na rakovinu ledvin a melanom, na kterém pracuje s kolegou profesorem Kochova institutu, imunologem Jianzhu Chenem.

O rakovině nevíme všechno, říká Wittrup. Ale dodává, že víme dost na to, abychom udělali více pro vývoj nových terapií. Mluvil jako inženýr.

Buňky jako systémy
Lidé říkají, že rakovina vzniká z nějakého druhu disregulace buněčné funkce, říká Douglas Lauffenburger, ředitel divize biologického inženýrství MIT a přidružený člen fakulty Kochova institutu. Takže zaujímá inženýrský přístup k otázce, jak jsou regulovány buněčné funkce. Jeho odpovědi by mohly pomoci vědcům předpovědět, zda daný lék bude fungovat.

Human Genome Project přivedl biology k nešťastnému závěru, že neexistuje jednoduché vysvětlení toho, jak geny interagují a jak tyto interakce způsobují, že se buňky pohybují, rostou a umírají. Místo toho, říká Lauffenburger, to všechny upozornilo na to, jak složité to bude. Výzkumníci doufali, že se vypořádají s nemocemi, včetně rakoviny, jejich vystopováním k jednotlivým proteinům nebo genům, které by mohli opravit kouzelnou kulkou. Ale analýza genomu naznačuje, že buněčné funkce jsou regulovány spoustou genů, spoustou interagujících proteinů.

Nejen, že se zdá, že každá buněčná funkce je ovlivněna mnoha geny, ale vědci si nyní myslí, že jakákoli daná funkce může být výsledkem mnoha různých molekulárních drah. Stejně jako některá letadla mají více motorů, než potřebují, mají buňky zabudovanou redundanci. Pokud lék interferuje s jedním proteinem, který napomáhá dělení rakovinné buňky, může se buňka uchýlit ke čtyřem nebo pěti dalším drahám.

Složitost těchto regulačních sítí velmi ztěžuje předvídat, co lék udělá, říká Lauffenburger. Výsledkem je, že vývoj léků probíhá metodou pokusu a omylu – a je extrémně neefektivní a nákladný. Výzkumníci testují nespočet sloučenin, aby se vyrovnali těm, které jsou slibné. Čím dříve může být neúčinná sloučenina vyřazena z provozu, tím nižší jsou náklady na vývoj léku. Takže v přístupu známém jako systémy nebo síťová biologie se Lauffenburger a další dívají na buňky jako na komplexní systémy a vytvářejí počítačové programy, které dokážou zpracovat velké množství dat o biomolekulárních interakcích. Lauffenburger mapuje, jak proteiny interagují, a ukazuje, jak tyto interakce ovlivňují buněčné funkce, včetně růstu. S takovými modely on a další doufají, že předpovídají, jak léky ovlivní buňky biochemicky a následně, jak ovlivní buněčnou funkci.

Lauffenburger nedávno použil tento přístup k předpovědi účinku konkrétního léku na epiteliální rakovinné buňky, třídu buněk, která zahrnuje ty, které se podílejí na rakovině tlustého střeva, prsu, děložního čípku a kůže. Lék inhibuje jednu cestu, která zabraňuje buněčné smrti. Tato cesta je aktivní u téměř všech epiteliálních rakovin, takže výzkumník zvažující pouze jednu cestu najednou by očekával, že lék zabíjí více druhů rakovinných buněk. Ale ukazuje se, že ne. Zatímco lék zvyšuje úmrtnost buněk rakoviny tlustého střeva, nezvyšuje úmrtnost buněk rakoviny prsu nebo děložního čípku, které mají několik dalších cest, na které se mohou vrátit. Lauffenburgerovy mapy proteinových interakcí zjistily, jak součet pěti drah spolupracuje při řízení buněčné smrti, říká.

Není však jasné, jak široce použitelné budou Lauffenburgerovy modely. Odškrtává mnoho otázek, které zbývají: Bude model proteinových interakcí v epiteliální rakovinné buňce potřebovat mnoho úprav, než bude moci být aplikován na jiné druhy rakovinných buněk? Jaké jsou nejlepší druhy měření pro vstup do těchto modelů? A co je nejdůležitější, mohou modely pomoci výzkumníkům odhalit, proč lék na některé pacienty funguje a na jiné ne? V současné době pokračuje ve spolupráci s farmaceutickými společnostmi Pfizer, AstraZeneca a Merrimack Pharmaceuticals na vývoji modelů pro použití při testování nových léků.

Obecněji řečeno, práce Lauffenburgera a dalších síťových biologů mění způsob, jakým se biologové dívají na rakovinu. Neexistuje žádná magická molekula, říká Lauffenburger – žádný jednoduchý, jediný cíl k identifikaci, který by byl klíčem k léčbě nemoci. Ale dívat se na rakovinné buňky jako na složité systémy, které se pokazily, a zaměřit se na to, co nazývá skutečnou činností jejich proteinů, vede k novému pochopení toho, jak buňky fungují.

Dálkově ovládané léky
Jediným způsobem, jak lékaři dnes mohou ověřit, že léky proti rakovině dosahují svých cílů, je po týdnech léčby provést vyšetření magnetickou rezonancí (MRI), aby zjistili, zda se nádory pacientů zmenšily. Sangeeta Bhatia, docentka elektrotechniky a informatiky v divizi zdravotnických věd a technologie a členka Kochova institutu, vyvíjí víceúčelové nanočástice, které, jak doufá, zkrátí tento proces, sníží vedlejší účinky chemoterapie a učiní léčbu. více efektivní.

Sloučeniny Bhatia fungují jako přesné nosiče léků a kontrastní látky pro MRI; zaměřují se na krevní cévy nádoru a jakmile tam jsou, přitahují více nanočástic. Nedávno vyvinula způsob, jak je přimět uvolnit své užitečné zatížení na příkaz, když se zahřejí nízkofrekvenčními elektromagnetickými vlnami aplikovanými z vnějšku těla.

Nanočástice jsou kuličky oxidu železitého navázané na nádorové peptidy a vlákna DNA. DNA je zase vázána na léky, jako je cisplatina, chemoterapeutická látka. Když se jádra oxidu železa zahřejí vysokofrekvenčními vlnami (které neovlivňují tělesné tkáně), DNA taje: vlákna dvojité šroubovice se oddělí a uvolní lék.

Teplota, při které se vlákno roztaví, závisí na délce vlákna, díky čemuž jsou nanočástice ještě všestrannější. Lékaři by mohli podávat koktejl částic navržených tak, aby uvolňovaly jejich léky při různých teplotách, a poté postupně aktivovat více dávek aplikací různých rádiových frekvencí. A co víc, pacient by nemusel přijít na snímkování, pak na chemoterapii a pak na opakované skenování, říká Bhatia. Vzhledem k tomu, že oxid železitý funguje jako kontrastní činidlo, MRI skeny prováděné v době léčby by mohly ověřit, že lék dosáhl nádoru, na který cílil.

Další skupiny také pracují na využití nanočástic pro cílenou chemoterapii. Ale buď jsou jejich techniky pasivní – uvolňování drog nelze kontrolovat, ale děje se to v průběhu času – nebo nefungovaly příliš dobře. Bhatia však své dálkově ovládané nanočástice demonstrovala na myších, kterým byly implantovány modelové nádory vyrobené z gelu. Rádiové frekvence aplikované z vnějšku myší spustily uvolňování modelových léků, které pronikly do okolní tkáně.

Bhatia na těchto nanočásticích pracovala roky ve spolupráci s Erkkim Ruoslahtim, profesorem biologie na Kalifornské univerzitě v Santa Barbaře, který je odborníkem na prostředí nádorů, a s Michaelem Sailorem, profesorem chemie na Kalifornské univerzitě. , San Diego.

Nyní, ve spolupráci s profesorem Phillipem Sharpem z institutu MIT, doufá, že částice využije k poskytování terapií interference RNA, které jsou velmi slibné, ale ještě musí naplnit svůj potenciál. Při interferenci RNA brání speciálně navržené sekvence RNA expresi konkrétních genů. Společnosti, jako je Alnylam, doufají, že tento proces využijí k terapeutickému odstavení chorobných genů, ale dodávka zůstává kriticky důležitým problémem, který je třeba vyřešit, říká Sharp, biolog oceněný Nobelovou cenou a spoluzakladatel společnosti Alnylam. V technice, na které Bhatia pracuje, by byly nanočástice vázány na vlákna RNA místo DNA; spíše než nošení drogy, vysvětluje, by sama RNA byla drogou.

Bhatia říká, že velkou výhodou jejích nanočástic je to, že mohou integrovat detekci a terapii. Lékaři léčící cukrovku a srdeční onemocnění již mohou implantovat glukózové pumpy a defibrilátory, které nejen podávají léčbu, ale sledují výsledky a podle potřeby upravují léčbu. Podobně, Bhatia doufá, že nanočástice umožní lékařům rychleji posoudit, zda chemoterapie funguje, a upravit ji, pokud ne – zmírnit stres a zachránit životy.

skrýt