Kuracje inżynieryjne

Nie pytaj Sangeeta Bhatia, SM ‘93, PhD ‘97, czy jest biologiem czy inżynierem. Dla niej to pytanie nie ma sensu, podobnie jak dla wszystkich innych profesorów MIT, którzy używają narzędzi inżynierii i biologii do badania raka. Kiedy skupiamy się na ludzkich chorobach, nie ma prawdziwej granicy między nauką, inżynierią i medycyną, mówi Bhatia, profesor nadzwyczajny, który opracowuje nanocząsteczki do monitorowania i leczenia raka.

Bhatia jest jednym z wielu badaczy z MIT, którzy skorzystają na utworzeniu nowego Instytutu Davida H. Kocha ds. Integracyjnych Badań nad Rakiem. Tej jesieni David H. Koch ‘62, SM ‘63 przekazał MIT 100 milionów dolarów na sfinansowanie badań, które łączą biologiczne i inżynieryjne podejścia do walki z rakiem. Instytut Kocha będzie opierać się na pionierskich pracach Centrum Badań nad Rakiem MIT; członkowie wydziału centrum (wraz z 10 profesorami inżynierii MIT do tej pory) zostali jego założycielami. Dar Kocha przyspieszy również budowę nowego ośrodka badań nad rakiem, który rozpocznie się w marcu i ma zostać otwarty w 2010 roku.

Sprowadzanie ludzi z innych dyscyplin jest ważne w walce z rakiem, mówi dyrektor Instytutu Kocha i profesor biologii Tyler Jacks, który kierował Centrum Badań nad Rakiem. Mamy najlepszych inżynierów na świecie, więc nasza siła robocza nie ma sobie równych.

Jacks mówi, że postrzeganie raka jako problemu inżynierskiego – stosunkowo nowy pomysł – promuje nowe podejście do badań podstawowych oraz nowe sposoby rozwiązywania praktycznych problemów. Na froncie badań podstawowych oznacza to stosowanie sposobu myślenia i narzędzi inżynierii: patrzenie na komórki jako złożone systemy i wykorzystywanie modeli komputerowych, które mogą zrozumieć duże ilości danych. Po stronie aplikacyjnej oznacza to opracowywanie nowych leków, nowych materiałów do dostarczania leków oraz nowych urządzeń do monitorowania postępu choroby.

Wielu badaczy raka z MIT już przyjęło to podejście w ciągu ostatnich pięciu lat, mówi Jacks, a napływ funduszy i wsparcia instytucjonalnego zapewni rozkwit ich projektów.

W idei „inżynierów” i „biologów” jest staroświecka sztuczność – mówi Dane Wittrup, profesor inżynierii chemicznej i bioinżynierii oraz członek Instytutu Kocha. Mówi, że aby osiągnąć cokolwiek w dziedzinie biomedycyny, inżynierowie muszą mieć biologię w swoich laboratoriach i mózgach.

Bhatia, która oprócz dyplomów MIT posiada tytuł doktora medycyny, zgadza się. Biolodzy i inżynierowie mają uzupełniające się umiejętności; idee płyną w obu kierunkach, co sprawia, że ​​praca w obu dziedzinach jest tak ekscytująca, mówi: „Widzimy wiele często nieoczekiwanych przykładów inżynierii umożliwiającej naukę poprzez opracowywanie narzędzi oraz przekładanie nauki poprzez inżynierię na diagnostykę i terapię.

Oto trzy projekty w MIT, które ilustrują, w jaki sposób inżynieria łączenia i biologia mogą pomóc naukowcom zrozumieć, a ostatecznie wyleczyć raka.

Ewolucja butelkowania
Dane Wittrup jest inżynierem białek. Stosuje terapie przeciwnowotworowe i stara się, aby działały lepiej, przy mniejszej liczbie skutków ubocznych, dzięki połączeniu szczęścia i designu.

Wittrup tworzy wysoce skuteczne terapie przeciwciałami, które mobilizują układ odpornościowy przeciwko komórkom rakowym, które rozwijają się, ponieważ organizm nie rozpoznaje ich jako złośliwych. Jak mówi, klasyczne leki stosowane w chemioterapii to trucizny o ostrych skutkach ubocznych. Z drugiej strony białko przeciwciała ma na ogół mniej skutków ubocznych, ponieważ wiąże się z jednym konkretnym celem, takim jak antygen nowotworowy. Układ odpornościowy widzi, że [komórka] ma na sobie przeciwciała i odpowiada: „Jest pokryta przeciwciałami, więc ją zabiję” – mówi.

Aby tworzyć skuteczniejsze terapie białkowe, Wittrup wykorzystuje tak zwaną ewolucję ukierunkowaną. Mówi, że butelkujesz ewolucję Darwina i sam ustalasz zasady przetrwania. Najpierw tworzy dziesiątki milionów zmutowanych wersji genu dla konkretnego białka i wstawia każdy gen do komórki drożdży. Następnie wykorzystuje różne techniki przesiewowe, aby zidentyfikować komórki drożdży niosące najlepszą wersję białka. Może to być białko, które najsilniej wiąże się z danym celem lub białko, które jest najbardziej stabilne w określonym zakresie temperatur, wśród wielu innych możliwości. Wittrup mówi, że inżynierowie białek udoskonalili ukierunkowaną ewolucję do tego stopnia, że ​​mogą z niej korzystać do wytwarzania dowolnych białek. Teraz, zamiast po prostu pracować nad nowymi narzędziami do projektowania białek, używa takich narzędzi do wytwarzania białek, które mogą pomóc w leczeniu raka.

Projektowanie białek nie jest już najtrudniejszą częścią, mówi. Trudniejsze i bardziej interesujące jest określenie, nad którymi białkami pracować, co robią i jak.

Samo poprawienie jednej z ważnych właściwości białka często nie wystarcza, aby poprawić jego działanie jako leku. Większość ludzi jest dość naiwna, jeśli chodzi o to, co jest konieczne, aby lek był silny, mówi Wittrup. Naiwne podejście, którego, jak twierdzi, jest winny, polega na testowaniu białek terapeutycznych tylko pod kątem tego, jak ściśle wiążą się z celem raka; ale takie testy, mówi, zakładają, że powinowactwo jest równe potencji. Przeprowadza się je całkowicie poza kontekstem, w kropli roztworu hodowli komórkowej na plastikowej płytce – na zewnątrz ciała, poza guzami, z których pochodzą komórki.

Wittrup przeżył swoją lekcję na własnej skórze. Wykorzystał ukierunkowaną ewolucję, aby poprawić działanie przeciwciała przeciwko antygenowi rakowo-płodowemu (CEA), białku, które występuje w nadmiarze na powierzchni niektórych guzów. Przeciwciało wiążące CEA, od którego zaczął, odpada z komórki i jest filtrowane z krwi, zanim może wywołać silną odpowiedź immunologiczną. Opracował więc wersję, która znacznie silniej wiąże się z białkami na powierzchni komórek rakowych. Siła wiązania jego zmodyfikowanego przeciwciała była o dwa rzędy wielkości większa niż jakiegokolwiek innego przeciwciała znanego w tamtym czasie; według wszystkich relacji okazał się wielkim sukcesem. Ale kiedy przetestował go na żywych myszach z ludzkim rakiem okrężnicy, nie działał lepiej niż oryginał. Jak to możliwe?

Wracając do narzędzi inżynierii, Wittrup i jego studenci zaadaptowali modele matematyczne zwykle używane do badania katalizatorów przemysłowych w celu zbadania kinetyki jego białka wiążącego CEA w nowotworach. U żywych myszy zmodyfikowane przeciwciała wciąż były zbyt szybko usuwane – w tym przypadku, ponieważ zostały poddane recyklingowi, zanim zdążyły dotrzeć do centrum guza. Białka przechodzą dość szybko przez wszystkie komórki, normalne i rakowe, zazwyczaj pozostając nienaruszone tylko przez minuty lub godziny. Są posiekane na mniejsze kawałki, aby można je było ponownie wykorzystać w nowych białkach. Jest to część normalnej konserwacji komórek; tak jak twój dom byłby śmietnikiem, gdybyś nigdy nie wyrzucił śmieci, tak komórki byłyby przytłoczone, gdyby trzymały każdą cząsteczkę, którą kiedykolwiek wytworzyły lub przyjęły.

Nawet jeśli więź trwa tydzień, to nie ma znaczenia, mówi Wittrup. Wszystko sprowadza się do wywóz śmieci.

Korzystając ze swoich modeli i współpracując ze specjalistami od obrazowania, aby obserwować postępy swojego białka u żywych myszy, Wittrup próbuje teraz zmodyfikować białko, aby dyfundowało przez guz zbyt szybko, aby komórki nowotworowe mogły się go pozbyć na czas. Ale przeciwciało ukierunkowane na CEA to tylko jedna z wielu terapii, które rozwija. Inna to bezpieczniejsza wersja toksycznego leku na raka nerki i czerniaka, nad którą pracuje z innym profesorem Instytutu Kocha, immunologiem Jianzhu Chen.

Nie wiemy wszystkiego o raku, mówi Wittrup. Dodaje jednak, że wiemy wystarczająco dużo, aby zrobić więcej, aby opracować nowe terapie. Mówi się jak inżynier.

Komórki jako systemy
Ludzie mówią, że rak powstaje w wyniku pewnego rodzaju rozregulowania funkcji komórek, mówi Douglas Lauffenburger, dyrektor Wydziału Inżynierii Biologicznej MIT i stowarzyszony członek wydziału Instytutu Kocha. Dlatego przyjmuje inżynierskie podejście do kwestii regulacji funkcji komórek. Jego odpowiedzi mogą pomóc naukowcom przewidzieć, czy dany lek zadziała.

Human Genome Project doprowadził biologów do niefortunnego wniosku, że nie ma prostego wyjaśnienia interakcji genów i sposobu, w jaki te interakcje powodują, że komórki poruszają się, rosną i umierają. Zamiast tego, jak mówi Lauffenburger, ostrzegł wszystkich, jak bardzo to będzie skomplikowane. Naukowcy mieli nadzieję, że uda im się uporać z chorobami, w tym z rakiem, śledząc je do poszczególnych białek lub genów, które mogliby naprawić za pomocą magicznej kuli. Ale analiza genomu sugeruje, że funkcje komórek są regulowane przez wiele genów, wiele oddziałujących białek.

Nie tylko wydaje się, że wiele genów ma wpływ na każdą funkcję komórki, ale naukowcy sądzą, że każda dana funkcja może być wynikiem wielu różnych szlaków molekularnych. Tak jak niektóre samoloty mają więcej silników niż potrzebują, komórki mają wbudowaną nadmiarowość. Jeśli lek zakłóca jedno białko, które pomaga w podziale komórek rakowych, komórka może korzystać z czterech lub pięciu dodatkowych ścieżek.

Złożoność tych sieci regulacyjnych sprawia, że ​​bardzo trudno jest przewidzieć, co zrobi lek, mówi Lauffenburger. W rezultacie opracowywanie leków odbywa się metodą prób i błędów – oraz jest niezwykle nieefektywne i kosztowne. Naukowcy testują niezliczone związki, aby zmierzyć się z obiecującymi. Im wcześniej nieskuteczny związek zostanie wycofany z obiegu, tym niższe koszty opracowania leku. Tak więc w podejściu znanym jako biologia systemów lub sieci, Lauffenburger i inni patrzą na komórki jako złożone systemy i budują programy komputerowe, które mogą przetwarzać duże ilości danych o interakcjach biomolekularnych. Lauffenburger mapuje sposób interakcji białek i pokazuje, jak te interakcje wpływają na funkcje komórek, w tym na wzrost. Dzięki takim modelom on i inni mają nadzieję przewidzieć, jak leki wpłyną biochemicznie na komórki, a co za tym idzie, w jaki sposób wpłyną na funkcję komórki.

Lauffenburger ostatnio zastosował to podejście do przewidywania wpływu konkretnego leku na nabłonkowe komórki rakowe, klasę komórek, która obejmuje komórki zaangażowane w raka okrężnicy, piersi, szyjki macicy i skóry. Lek hamuje jedną ścieżkę, która zapobiega śmierci komórki. Ta ścieżka jest aktywna w prawie wszystkich nowotworach nabłonkowych, więc badacz rozważający tylko jedną ścieżkę naraz spodziewałby się, że lek zabije wiele rodzajów komórek nowotworowych. Ale okazuje się, że tak nie jest. Chociaż lek zwiększa śmiertelność komórek raka okrężnicy, nie zwiększa śmiertelności komórek raka piersi lub szyjki macicy, które mają kilka innych ścieżek, na które można się odwołać. Mapy oddziaływań białek Lauffenburgera potwierdziły, w jaki sposób suma pięciu ścieżek współdziała ze sobą, aby zarządzać śmiercią komórki.

Nie jest jednak jasne, jak szerokie będą zastosowanie modele Lauffenburger. Odhacza wiele pytań, które pozostają: czy model interakcji białek w nabłonkowej komórce rakowej wymaga wielu modyfikacji, zanim będzie można go zastosować do innych rodzajów komórek nowotworowych? Jakie są najlepsze rodzaje pomiarów do wprowadzenia do tych modeli? A co najważniejsze, czy modele mogą pomóc naukowcom odkryć, dlaczego lek działa na niektórych pacjentów, a na innych nie? Obecnie współpracuje z firmami farmaceutycznymi Pfizer, AstraZeneca i Merrimack Pharmaceuticals w celu opracowania modeli do wykorzystania w testowaniu nowych leków.

Mówiąc szerzej, praca Lauffenburgera i innych biologów sieciowych zmienia sposób, w jaki biolodzy patrzą na raka. Nie ma magicznej cząsteczki, mówi Lauffenburger – nie ma prostego, pojedynczego celu do zidentyfikowania, który będzie kluczem do leczenia choroby. Ale spojrzenie na komórki rakowe jako złożone systemy, które uległy awarii, i skupienie się na tym, co nazywa rzeczywistą aktywnością ich białek, prowadzi do nowego zrozumienia działania komórek.

Leki zdalnie kontrolowane
Obecnie jedynym sposobem, aby lekarze zweryfikowali, czy leki przeciwnowotworowe osiągają swoje cele, jest wykonanie rezonansu magnetycznego (MRI) po tygodniach leczenia, aby sprawdzić, czy guzy pacjentów się skurczyły. Sangeeta Bhatia, profesor nadzwyczajny elektrotechniki i informatyki w Wydziale Nauk o Zdrowiu i Technologii oraz członek Instytutu Kocha, opracowuje wielozadaniowe nanocząstki, które, jak ma nadzieję, skrócą ten proces, zmniejszą skutki uboczne chemioterapii i ułatwią leczenie. bardziej efektywny.

Związki Bhatia działają jak precyzyjne nośniki dostarczania leków oraz środki kontrastowe do rezonansu magnetycznego; skupiają się na naczyniach krwionośnych guza, a gdy już się tam znajdą, przyciągają więcej nanocząstek. Niedawno opracowała sposób, aby uwolnić swoje ładunki na polecenie, gdy zostaną podgrzane przez fale elektromagnetyczne o niskiej częstotliwości przyłożone z zewnątrz ciała.

Nanocząsteczki to kulki tlenku żelaza związane z peptydami i nićmi DNA ukierunkowanymi na nowotwory. DNA jest z kolei wiązane z lekami, takimi jak cisplatyna, środek chemioterapeutyczny. Kiedy rdzenie tlenku żelaza są podgrzewane przez fale o częstotliwości radiowej (które nie wpływają na tkanki organizmu), DNA topi się: nici podwójnej helisy rozdzielają się, uwalniając lek.

Temperatura, w której nić DNA topi się, zależy od długości nici, dzięki czemu nanocząstki są jeszcze bardziej wszechstronne. Lekarze mogliby podawać koktajl cząstek zaprojektowany do uwalniania leków w różnych temperaturach, a następnie sekwencyjnie aktywować wiele dawek, stosując różne częstotliwości radiowe. Co więcej, pacjent nie musiałby przychodzić na obrazowanie, potem chemioterapię, a potem powtarzane badania, mówi Bhatia. Ponieważ tlenek żelaza podwaja się jako środek kontrastowy, skany MRI podawane w czasie leczenia będą w stanie zweryfikować, czy lek dotarł do guza, na który był skierowany.

Inne grupy również pracują nad wykorzystaniem nanocząstek w celowanej chemioterapii. Ale albo ich techniki są pasywne – uwalniania leków nie można kontrolować, ale dzieje się to z czasem – albo nie działają zbyt dobrze. Bhatia zademonstrowała jednak swoje zdalnie sterowane nanocząsteczki u myszy, u których wszczepiono modelowe guzy wykonane z żelu. Częstotliwości radiowe zastosowane z zewnątrz myszy wywołały uwalnianie leków modelowych, które penetrowały otaczającą tkankę.

Bhatia od lat pracuje nad tymi nanocząsteczkami we współpracy z Erkki Ruoslahti, profesorem biologii z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, który jest ekspertem od środowiska nowotworowego, oraz Michaelem Sailorem, profesorem chemii na Uniwersytecie Kalifornijskim , San Diego.

Teraz, współpracując z profesorem Phillipem Sharpem z Instytutu MIT, ma nadzieję wykorzystać cząstki do dostarczenia terapii interferencyjnych RNA, które są bardzo obiecujące, ale jeszcze nie wykorzystały swojego potencjału. W interferencji RNA specjalnie zaprojektowane sekwencje RNA utrudniają ekspresję poszczególnych genów. Firmy takie jak Alnylam mają nadzieję wykorzystać ten proces do terapeutycznego wyłączenia genów chorobowych, ale dostarczanie pozostaje niezwykle ważnym problemem do rozwiązania, mówi Sharp, biolog zdobywca Nagrody Nobla i współzałożyciel Alnylam. W technice, nad którą pracuje Bhatia, nanocząsteczki byłyby związane z nićmi RNA zamiast DNA; wyjaśnia, że ​​zamiast nosić lek, RNA samo w sobie byłoby lekiem.

Bhatia mówi, że wielką zaletą jej nanocząstek jest to, że mogą zintegrować wykrywanie i terapię. Lekarze leczący cukrzycę i choroby serca mogą już wszczepiać pompy glukozowe i defibrylatory, które nie tylko podają leczenie, ale także monitorują wyniki, dostosowując leczenie w razie potrzeby. Podobnie, Bhatia ma nadzieję, że nanocząsteczki pozwolą lekarzom szybciej ocenić, czy chemioterapia działa i zmodyfikować ją, jeśli nie – łagodząc stres i ratując życie.

ukryć