科学家们在分子水平上寻求创新的癌症治疗方法

摘要:

来自芝加哥大学普利兹克分子工程学院的黄俊研究了利用免疫疗法治疗疾病的创新方法。抗击癌症的一种“新武器”已经出现,改变了治疗格局。CAR T细胞疗法在2017年首次被批准用于临床,它用病人自己重新设计的免疫细胞攻击癌症。它已被证明对某些形式的淋巴瘤非常有效。

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它的成功反映了免疫疗法的不断扩展,这是一种促进或改变免疫系统以攻击疾病的治疗方法。CAR T细胞疗法和其他类似药物现在正在为对抗我们一些最具挑战性的疾病提供新的希望。

然而,开发这些治疗方法之所以可行,是由于那些致力于提高我们对免疫系统认识的科学家。芝加哥大学普利兹克分子工程学院的分子工程副教授黄俊就是这样一位研究人员。利用新的、高度先进的工具,他的工作可能会产生深远的影响,不仅对癌症的治疗,而且对治疗感染和自身免疫力有更广泛的影响。

新的理解导致了新的治疗方法

黄俊的工作被描述为具有生物工程倾向的分子免疫学。他研究免疫系统背后的基本机制,特别关注T细胞(一种白血球)。他和他的团队利用先进的显微镜、定制设计的工具和聪明才智的结合,在分子水平上研究免疫学,并应用这些知识来创造新的治疗方法。

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目前,黄俊已经应用他的研究开发了捕捉和杀死冠状病毒的微观陷阱,解决了长期以来关于细胞代谢的未解之谜,开发了可用于疫苗开发的新机器学习分子成像管道,并创造了识别CAR T细胞的变革性技术。每取得一项进展,黄俊就更接近他在2009年博士后培训期间设定的目标。

他说:“我想治愈癌症和艾滋病毒--这两种我们还不能征服的主要疾病。大多数人自然会认为它们是非常不同的疾病。但对我们来说,治疗这两种疾病可能是一个T细胞问题。艾滋病病毒感染CD4 T细胞并瘫痪人类免疫系统,而肿瘤的微环境促使T细胞功能失调并抑制T细胞对癌细胞的杀伤。如果我们能够有效地恢复T细胞功能,我们也许能够治疗这两种疾病,尽管它们的性质不同。”

免疫系统是人体中最复杂的系统之一。在该系统中,数十亿大小只有几微米的高度专业化的细胞一起工作,以抵御不断涌现的病原体--如病毒和细菌。由于发生了这么多事情,研究人员还没有弄清我们免疫系统的一些更复杂的机制。以CAR T细胞疗法为例,我们并不完全了解为什么它对某些形式的癌症有效,而对其他形式的癌症无效。

黄俊旨在通过使用多种最先进的技术和定制的内部设备在分子水平上研究免疫细胞来填补我们理解上的空白。他的成果已经为细胞研究打开了新的大门。

2020年5月,黄俊的实验室结合公开可用的软件和机器学习技术,创建了一个分析格子光片显微镜数据的管道。格子光片显微镜提供高分辨率的细胞三维视频。黄俊的管道,格子光片显微镜多维分析(LAMDA),有效地压缩了格子光片显微镜产生的大量数据,使研究人员能够使用单个分子作为数据点。LaMDA可以有许多医学应用,如药物测试和疫苗开发,此外还可以扩大T细胞生物学的知识。

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2021年6月,黄俊和他的团队利用基因编码的生物传感器、机器学习和超分辨率显微镜的组合,在分子水平上直观地观察糖酵解--细胞代谢葡萄糖的过程。他们发现,当细胞移动和收缩时,它们会消耗更多的能量,并通过一个以前未知的受体摄取葡萄糖--这两种见解都可以进一步研究广泛的疾病。例如,如果医生能够抑制肺内皮细胞的糖酵解,他们可以减少COVID-19患者的急性呼吸道综合症的影响。

黄俊认为机器学习将是推进我们对免疫系统理解的核心,帮助像他这样的研究人员处理超分辨率成像产生的大量数据。在谈到他的工作时,黄俊指出他的工具提供了一种达到目的的手段--他追求技术不是为了技术本身,而是为了回答关于免疫学的问题,最终开发出有用的治疗方法。这是他在博士后培训期间形成的一种理念。

“我在一个免疫学实验室工作,有很多与医学博士和医学博士/博士的合作,”黄俊说。“这种经历改变了我的思维方式。它使我想到,‘医生们实际上认为什么是重要的?病人真正需要什么?我们怎样才能把基础科学、基础研究与之联系起来?’作为一名工程师,这是我想做的事情。”

当新冠大流行首次出现时,各地的研究人员将注意力转向解决这一危机。对于黄俊和他的团队来说,这是一个将他们对免疫学的高级研究应用于新威胁的机会。尽管他们之前没有研究过COVID-19,但免疫学研究的本质是可以迅速适应新出现的疾病。在这种情况下,研究人员将他们对外泌体的研究转向SARS-CoV-2,外泌体是由癌细胞分泌的抑制免疫系统的小囊泡。该团队相信他们可以利用同样的机制来对抗导致COVID的病毒。

博士后学者陈敏和研究生吉尔-罗森伯格领导了这个项目,他们首先调查了SARS-CoV-2背后的结合机制,其表面的刺突蛋白与人类细胞上的ACE2受体蛋白结合。

然后,该团队设计了表面带有高密度ACE2蛋白的纳米颗粒,创造了一个任何病毒都无法抗拒的细胞诱惑。他们还在设计中加入了中和抗体,以便一旦病毒被捕获,身体的免疫细胞将迅速吞噬并摧毁这个陷阱,包括病毒和所有的病毒。

在小鼠模型中进行的早期测试表明,这种陷阱能有效地遏制和消除病毒。然后,他们用两个捐赠的人类肺部连接到一个灌注装置和呼吸机来测试这些陷阱。他们发现,纳米陷阱能够完全阻止病毒感染肺部。

该团队现在正在研究如何将他们的纳米陷阱应用于该病毒的其他变种,并已开始与制药公司谈判,以获得该技术的许可。

从基础科学到临床治疗,黄俊和他的团队开发的纳米陷阱代表了其研究的潜力。展望未来,黄俊计划在其免疫学研究中采用更多的技术,并开发免疫疗法。黄俊希望通过这样的技术,有朝一日能够实现他多年前设定的目标。

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