Immunterapi kan få kræft til at forsvinde. Men når behandlingen pludselig mister effekten, er det ofte uklart hvorfor. Nu har forskere udviklet et enkelt laboratorieværktøj i gær, som giver dem kontrol over de signaler, immunceller reagerer på – og gør det muligt at forstå, hvornår og hvorfor immunterapi svigter.
Immunforsvaret er et komplekst system i sig selv, og mødet med kræftceller gør det endnu mere udfordrende. Immuncellerne forsøger at genkende og dræbe kræftceller, mens kræftcellerne forsøger at undvige og deaktivere dem. Det bliver en konstant informationskrig, hvor kræftcellerne ændrer eller slører de signaler, som immuncellerne bruger til at genkende dem.
Immunterapi forstærker kroppens eget immunforsvar i denne kamp - og er et forskningsfelt i rivende udvikling.
For nogle kræftpatienter forsvinder kræften inden for måneder af immunterapi: Kroppens eget immunforsvar bliver forstærket af terapien, går til angreb, og kræftcellerne bliver dræbt.
For andre sker det modsatte. Behandlingen virker først – og mister så grebet igen, uden at man nødvendigvis kan se præcist hvorfor.
Det er en af immunterapiens største udfordringer. Og uden viden om, hvornår og hvorfor behandlingen mister grebet, er det svært både at forbedre eksisterende terapier og at forudsige, hvem der bliver kræftfri – og hvem der risikerer tilbagefald.
Denne ufuldstændige forståelse er afgørende at afklare for udviklingen af næste generations immunterapi.
Når kræftceller ændrer signalerne, mister immunforsvaret grebet
En del af forklaringen på de nuværende udfordringer med immunterapi er, at kræftceller hele tiden ændrer de små “mærkater” på overfladen, som immunforsvaret bruger til at genkende dem.
De mærkater kaldes antigener og fungerer som de signaler, immuncellerne bruger til at afgøre, om en celle skal angribes eller ignoreres. Når signalet bliver svagere eller uklart, kan angrebet svækkes eller helt ophøre.
”Noget af det sværeste ved immunologi er, at immunsystemet både er meget komplekst og hele tiden ændrer sig,” siger seniorforsker Michael Krogh Jensen fra Danmarks Tekniske Universitet.
”Hvis vi kan teste hypoteser i et system, hvor vi ved præcis, hvad immuncellerne reagerer på,” siger postdoc Marcus Deichmann, ”kan vi begynde at se, hvilke behandlinger der giver mening – og hvilke der ikke gør – i forskellige scenarier.”
Netop derfor har et forskerteam med Marcus Deichmann og Michael Krogh Jensen udviklet et laboratorieværktøj, der giver forskerne kontrol over, hvilke signaler immuncellerne møder, når de angriber kræft. Ved at programmere gær til at præsentere udvalgte menneskelige antigener på overfladen kan forskerne styre både signalets type og styrke.
Når målet flytter sig, bliver behandling svær at teste
Det grundlæggende problem er, at selve målet ændrer sig, mens forskerne forsøger at måle effekten.
Svaret voksede ud af postdoc Marcus Deichmanns genteknologiske arbejde med gærceller.
”Det, jeg sad med i hænderne, var et system med næsten 100 procent kontrol,” siger han. ”Man kan styre gærcellernes adfærd ekstremt præcist, og så tænkte jeg: hvorfor ikke bruge det til noget, der ellers er ekstremt komplekst – såsom kræftforskning og immunologi?”
”Vi vidste godt, at det var en smule kontroversielt at genmodificere gær til at kunne kommunikere med menneskeceller, da vi startede i 2021 – men de indledende forsøg indikerede at det var muligt.”, siger Deichmann.
Ideen var enkel: I stedet for at teste mulige løsninger i et system, hvor alt ændrer sig på én gang, byggede forskerne en model i gær, hvor de kunne isolere og kontrollere én biologisk variabel ad gangen – nemlig antigen-tætheden på celleoverfladen – og dermed se præcist, hvad netop den ændring gør.
Én variabel ad gangen giver kontrol
Gærcellerne programmeres til at efterligne kræftceller ved at præsentere menneskelige kræftantigener på overfladen. Forskerne kan styre hvor meget antigen der sidder på overfladen af den enkelte celle – fra ingenting til meget høje niveauer – der tillader at simulere forskellige kræftscenarier.
Kun de signaler, forskerne selv definerer, er til stede og i præcist kontrollerede mængder. I sin simpleste form fungerer gæren som en volumenknap: Jo flere antigener, jo stærkere aktiveringssignal modtager immuncellerne.
”Vi har arbejdet målrettet på at finde de skrueknapper i cellen, der gør det muligt næsten med krybskytte -præcision at regulere, hvor mange molekyler der sidder på overfladen af gærceller,” siger Michael Krogh Jensen.
“En kræftcelle er lidt som et Jackson Pollock-maleri,” siger Deichmann. ”Der sker alt muligt på én gang.”
Et bevidst forsimplet system
Det var netop denne frustration, der satte gang i en ny tanke.
”Og så slog det mig: I andre dele af mit arbejde bruger vi gærceller, netop fordi de er ekstremt kontrollerbare og effektivt kan tilpasses til nye bioteknologiske anvendelser. Hvorfor accepterer vi kompleksitet her – når vi faktisk har genetiske værktøjer til at skrue på én ting ad gangen? I modsætning til en kræftcelle kan vi se gærcellen som et blankt lærred,” siger han.
At gærcellen fungerer som et ”blankt lærred” betyder også, at modellen bevidst skærer meget af kræftcellens kompleksitet væk. Netop dét er pointen: først at forstå, hvad ændringer i antigenet alene gør ved immunresponsen – før man bevæger sig videre til mere komplekse systemer. På sigt kan platformen bruges til hurtigere og billigere screening af nye immunterapier og til at afdække, hvor grænsen mellem effekt og risiko egentlig går.
”Hvis vi starter fra noget, der er kontrollerbart,” siger Michael Krogh Jensen, ”kan vi begynde at simulere, hvor det terapeutiske vindue ligger.”
Det terapeutiske vindue er det område, hvor immuncellerne er tilpas aktiveret til effektivt at dræbe kræftcellerne, men ikke så kraftigt, at behandlingen enten udløser alvorlige bivirkninger eller får cellerne til gradvist at miste deres funktion. Kort sagt: nok tryk til at slå kræften ned – uden at kroppen reagerer farligt, eller immuncellerne brænder ud.
Når signalet tipper: fra effektiv behandling til risiko
CAR-T-celler er en form for immunterapi, hvor patientens egne T-celler genetisk udstyres med en kunstig genkendelsesreceptor – en slags nyt “sigte” på T-cellen – så de kan finde og dræbe kræftceller, der bærer bestemte antigener på overfladen. De får indsat en specialdesignet antigenreceptor, kaldet en chimeric antigen receptor (CAR). Et enkelt og effektivt koncept – og en terapiform med stort potentiale, som set i behandlingen af visse typer af blod- og lymfekræft.
I praksis er virkeligheden langt mere kompleks. Der er stor biologisk variation i antigen – både mellem patienter, inden for den samme kræftform, og endda inde i den enkelte patient. Derudover er kræftceller ikke statiske mål, men systemer i konstant forandring.
Når CAR-T-celler går til angreb, opstår der en biologisk udvælgelse, hvor de mest genkendelige kræftceller fjernes først, mens de sværest genkendelige undslipper og får størst chance for at overleve og dominere – simpelthen fordi de ikke bliver set i tide.
”Der opstår et selektivt pres, hvor kræftceller med lavt antigen-niveau kan slippe udenom terapien,” siger Marcus Deichmann, ”Derudover tyder det på, at nogle kræftceller faktisk kan tilpasse deres overfladeprofil for at undgå de CAR-T-celler de møder.”
Når for meget signal bliver farligt
I den anden ende af det terapeutiske vindue ses alvorlige bivirkninger ved overaktivering af CAR-T-cellerne.
”Det er ikke ‘jo mere signal, jo bedre’,” forklarer Marcus Deichmann. “For kraftig aktivering kan forårsage overstimulering af immunforsvaret, hvilket kan udløse alvorlige immunreaktioner, der kræver intensiv behandling - eller skubbe cellerne i en dårligere funktionel tilstand, hvor de mister evnen til effektivt at dræbe kræftceller selvom de genkender antigen.”
Det er en af hovedårsagerne til, at effekten af CAR-T-terapi kan være vanskelig at forudsige.
”Derfor giver det ikke mening kun at teste ét enkelt antigen-niveau,” siger Deichmann.
SCASA afslører immunterapiens grænser
Med den nyopfundne gærteknologi, kaldet SCASA-systemet (Synthetic Cellular Advanced Signal Adapter), kunne forskerne måle både aktivering, funktion og grænserne for CAR-T-cellernes respons. Det vil sige, hvor kraftigt cellerne aktiveres, hvor godt de virker, og hvornår responsen tipper, når mængden af antigen ændres.
”Vi kunne simulere det spektrum af situationer, som CAR-T-celler møder ved virkelige kræftceller, der manipulerer deres antigen for at undslippe terapi” siger Marcus Deichmann. ”Ikke bare ét idealiseret niveau, men hele gråzonen.”
Resultaterne bekræfter, at CAR-T-cellernes respons imod kræftceller ikke fungerer som en simpel tænd/sluk-knap. I stedet ændrer CAR-T-cellernes respons sig trin for trin alt efter antigenniveauet. ”Det er ikke sådan, at immuncellerne enten reagerer eller ikke reagerer,” siger Marcus Deichmann.
”Selv små ændringer i antigen-niveauet kan flytte CAR-T-celler fra effektiv til svag aktivering.”
Ikke alle CAR-T-designs reagerer ens
En central observation var, at forskellige design af CAR-T-celler brugt i godkendte immunterapier reagerer forskelligt på de samme niveauer af kræftantigen.
”To CAR-konstruktioner, der på papiret minder om hinanden, kan opføre sig ret forskelligt,” siger Michael Krogh Jensen. ”Og det kan være forskellen på en behandling, der virker – og en der enten overreagerer eller mister effekten.” Dermed kan forskerne også bruge systemet til at få en ide om, hvornår nye kandidatdesign af CAR-T-celleterapier tipper fra effektiv respons til enten for svag eller ukontrolleret aktivering, før de testes i dyr eller patienter.
Samlet set bekræfter resultaterne, at antigen-niveau ikke blot er en teknisk detalje, men en afgørende biologisk faktor: Det kan afgøre, om CAR-T-celler rammer det rette niveau – eller om de enten virker for svagt eller reagerer for voldsomt.
Hvorfor gær er mere robust end kræftceller som model
Forskerne nåede frem til de samme biologiske konklusioner med gær som med kræftceller – men gærmodellen viste sig at være langt mere robust. I et aktiveringsforsøg mistede kræftcellemodellen op mod 98 procent af sit antigen på kort tid eller blev helt dræbt, mens gærcellerne forblev stabile. Det gjorde det muligt at måle CAR-T-responsen uden, at målcellens adfærd ændrede sig undervejs.
”Det giver en helt anden robusthed i data, når du ved, at det eneste, der ændrer sig, er den parameter, du selv har justeret,” siger Marcus Deichmann.
”Gær er ekstremt billigt og robust at arbejde med sammenlignet med mange andre platforme,” siger Marcus Deichmann. ”Du har ikke en lille, begrænset mængde af dyrt materiale – du kan altid dyrke mere gær og du kan tilpasse modellen genetisk til nye undersøgelser.”
Traditionelt bruger forskere kræftcellelinjer, mikrokugler eller nanoteknologiske partikler til at studere responser fra immunceller, såsom fra CAR-T-celler. Men levende kræftmodeller rummer ofte enten for meget biologisk støj eller for lidt eksperimentel kontrol til systematiske studier.
Billigere, skalerbart – og uden biologisk støj
Nanoteknologiske modeller kan effektivt reducere støj og give høj kontrol, men er ofte meget dyre, kræver specialiseret udstyr og ekspertise, afhænger af sensitive, oprensede kræftantigener og kan typisk kun fremstilles i mikrogramskala. – altså i meget små mængder, som hurtigt bliver en praktisk begrænsning.
Gær kan dyrkes hurtigt i store mængder, er billigt at arbejde med, og kræver simpelt udstyr og basale vækstmedier.
Prisen på materiale til forsøg med aktivering af immunceller kan være op imod 1000 gange billigere med gær i forhold til nanoteknologiske alternativer, estimerer forskerne. Det store spørgsmål for gærmetodens succes var, hvad der ville ske, når gær og menneskeceller blev blandet, og om det kunne lade sig gøre uden at udløse en reaktion imod gæren.
“Vi har endnu ikke detekteret, at rent gær uden menneskeligt antigen udløser en forstyrrende reaktion i isolerede menneskelige T-celler – og netop det giver et potentielt helt rent udgangspunkt for metoden,” siger Deichmann.
Når gærcellerne bringes i kontakt med menneskelige T-celler, opstår der kun et immunrespons, hvis forskerne selv har sat et antigen på. Et af forskernes næste mål er at nærundersøge og be- eller afkræfte, om gær virkeligt ikke fremkalder nogen former for alternative immunreaktioner i sig selv.
”Resultatet er et kunstigt, men fuldt kontrolleret testsystem, hvor immuncellerne kun reagerer på signaler, vi selv har sat ind,” siger Deichmann.
Fra trial-and-error til mere forudsigelig immunterapi
“Det her er et præklinisk udviklingsværktøj,” forklarer Michael Krogh Jensen. “Det giver ikke en ny behandling i morgen – men det kan gøre det langt hurtigere og mere systematisk at finde bedre CAR-T designs.”
SCASA-systemet er ikke udviklet som en ny behandling i sig selv, men som et alternativt værktøj til at forstå og designe fremtidens immunterapier mere rationelt. Målet er at udvikle designprincipper for immuncelleterapi, og effektivt kunne systematisk måle hvor vinduet ligger mellem ingen effekt og farlig overaktivering, så man kan vejlede nye designs mod maksimal effektivitet.
”Når antigen-præsentationen bliver kontrollerbar, flytter vi fokus fra iterativ trial-and-error til mere systematisk og sammenlignelig udforskning,” siger Marcus Deichmann. ”Med en kontrollerbar model kan man teste mange scenarier hurtigt i den tidlige drug discovery-fase af udviklingen af nye terapier.”
En af de mest umiddelbare konsekvenser ligger i den prækliniske fase. I dag er udvikling og test af CAR-T-terapier både meget krævende og ekstremt dyr. Selve behandlingen er kompleks, og som et illustrativt eksempel kan prisen for blot én patient ofte løbe op i mellem en halv og en hel million dollars. Der udføres omfattende prækliniske studier, før man begynder at behandle patienter - og det er her gærceller kan ændre regnestykket markant.
Arbejdet er dækket af en patentansøgning, og forskerne undersøger nu, hvordan platformen kan udvikles videre. Ikke som en ny behandling i sig selv, men som et værktøj, der kan gøre fremtidens immunterapi mere forudsigelig, mere kontrollerbar og i sidste ende mere sikker.
