Nouvelle approche pour capturer les cellules tueuses naturelles et récolter des paquets tuant le cancer

S’appuyant sur la promesse des thérapies émergentes de déployer les cellules immunitaires «tueuses naturelles» du corps pour lutter contre le cancer, les chercheurs de l’Université du Michigan Rogel Cancer Center et de l’UM College of Engineering sont allés plus loin.

Ils ont mis au point ce que l’on pense être le premier moyen systématique d’attraper des cellules tueuses naturelles et de les amener à libérer des paquets tueurs de cancer appelés exosomes. Ces exosomes à l’échelle nanométrique sont des milliers de fois plus petits que les cellules tueuses naturelles – ou les cellules NK en abrégé – et donc mieux à même de pénétrer les défenses des cellules cancéreuses.

Une étude de validation de principe dans des échantillons de sang de cinq patients atteints d’un cancer du poumon non à petites cellules a démontré que l’approche était capable de capturer des cellules tueuses naturelles sur une puce microfluidique et de les utiliser pour «cultiver» les exosomes NK.

L’équipe multidisciplinaire, qui comprenait des ingénieurs et des oncologues UM, a en outre démontré que les exosomes pouvaient tuer efficacement les cellules tumorales circulantes dans les cultures cellulaires, selon les résultats publiés dans Science avancée.

Les exosomes sont de petits sacs de protéines et d’autres molécules qui sont naturellement libérées par presque tous les types de cellules du corps. Dans ce cas, nous voulions élargir notre compréhension des exosomes NK et essayer d’exploiter leur potentiel cancérigène. « 

Yoon-Tae Kang, Ph.D., chercheur en génie chimique et co-auteur principal de l’étude

Par rapport aux cellules NK, les exosomes NK sont plus stables et plus faciles à modifier à des fins thérapeutiques, dit-il. Le système a également le potentiel d’aider à diagnostiquer et à surveiller le cancer, note l’étude.

Exploiter la puissance des cellules NK a longtemps présenté une possibilité alléchante pour les chercheurs. Contrairement aux cellules T, les cellules NK n’ont pas besoin d’être amorcées par des antigènes spécifiques aux envahisseurs pour combattre les intrus.

«Un goulot d’étranglement majeur des thérapies basées sur les cellules NK, cependant, est qu’après l’injection des cellules NK dans les patients, ils ne sont pas bons pour s’infiltrer dans le microenvironnement tumoral», déclare le co-auteur principal Zeqi Niu, doctorant en ingénieur chimiste. « Les exosomes dérivés des cellules NK contiennent les mêmes molécules cancérigènes mais ils sont beaucoup, beaucoup plus petits et mieux capables de pénétrer dans les tumeurs. »

La technologie

Alors qu’un petit nombre d’études précédentes avaient examiné la capacité des exosomes NK à tuer les cellules cancéreuses, il n’y avait pas eu d’approche systématique pour capturer les cellules NK dérivées des patients et les utiliser pour générer des exosomes NK, ajoute Sunitha Nagrath, co-auteur principal de l’étude. , Ph.D., professeur agrégé de génie chimique à l’UM et membre du Rogel Cancer Center.

«L’avantage des exosomes est qu’ils sont organiques, originaires de votre corps», dit-elle. « Nous n’avons pas eu à les fabriquer. La beauté de l’approche est de pouvoir capturer les cellules NK sur une puce microfluidique, les incuber sur la puce pendant une courte période de temps et ensuite collecter les exosomes qui sont libérés par les cellules. Sinon, essayer d’isoler les exosomes directement du sang reviendrait à chercher de minuscules cailloux dans une pièce remplie de trucs. « 

Le système de récolte d’exosomes NK combine trois technologies. Tout d’abord, les chercheurs ont capturé les cellules NK sur une puce microfluidique en oxyde de graphène développée à l’UM. Ensuite, les cellules sont incubées, ce qui les incite à libérer des exosomes. Les exosomes sont capturés par de minuscules billes magnétiques, appelées ExoBeads, qui sont recouvertes d’anticorps spécifiques aux exosomes; les billes sont retirées de la puce et les exosomes NK en sont séparés par un procédé différent. Simultanément, l’équipe a utilisé un système de biopsie liquide appelé Labyrinth, qui a également été développé à l’UM, pour isoler les cellules tumorales en circulation à partir d’échantillons de sang de patients afin d’évaluer les corrélations entre les cellules NK et les exosomes, et les cellules tumorales en circulation.

Ces premiers efforts de recherche ont examiné des échantillons de cinq patients atteints de cancer du poumon et de deux témoins sains.

« Ce que nous avons constaté, c’est que plus il y avait de cellules NK présentes dans l’échantillon, moins il y avait de cellules tumorales en circulation », explique Niu. « Nous avons également constaté que plus il y avait de cellules tumorales dans un échantillon, plus il y avait d’exosomes NK – ce qui est un indice que la présence du cancer stimule les cellules NK à produire les exosomes anticancéreux. »

Des expériences supplémentaires ont montré que les exosomes NK dérivés d’échantillons de patients étaient en effet capables de tuer les cellules tumorales en circulation dans les cultures cellulaires.

Une cellule tumorale en circulation est celle qui s’est détachée d’une tumeur primaire et a commencé à voyager dans la circulation sanguine. Ceux-ci peuvent ensuite semer de nouveaux cancers ailleurs dans le corps grâce à un processus appelé métastase.

«Lorsque nous avons commencé cette recherche, nous ne savions pas si nous allions être en mesure de générer et de récolter les exosomes NK en utilisant une puce et des ExoBeads», explique Nagrath. « Ou si nous pouvions les collecter suffisamment efficacement pour une utilisation thérapeutique potentielle. Le processus de capture des cellules NK, le processus de séparation des exosomes NK des billes, créant un test pour évaluer la capacité des exosomes à tuer les cellules cancéreuses – il y avait de nombreux composants qui devaient être optimisés pour que cette approche soit un succès, et chacun présentait ses propres défis. « 

Les exosomes ont également un bon potentiel pour être davantage modifiés et optimisés pour être plus puissants et efficaces contre les cellules cancéreuses, notent les chercheurs.

Prochaines étapes

Une validation et un travail supplémentaires seront nécessaires pour développer la technologie en vue d’une utilisation clinique future potentielle, dit Kang.

Le nombre d’échantillons de patients inclus dans l’étude était limité par les exigences de la pandémie COVID-19, qui a entraîné des fermetures temporaires de laboratoires sur le campus de l’UM. Les chercheurs prévoient de poursuivre le travail avec un plus grand nombre d’échantillons de patients. Ils travaillent également avec des collaborateurs pour tester l’efficacité des exosomes contre les tumeurs in vivo – dans des modèles murins de cancer.

Des travaux supplémentaires sont en cours sur l’utilisation de la technologie pour capturer les cellules immunitaires du sang afin de fournir aux médecins des informations supplémentaires sur le cancer d’un patient. Ce serait différent de la plupart des technologies de biopsie liquide, qui se concentrent sur la capture et l’évaluation des cellules tumorales en circulation.

Les chercheurs ont également souligné le caractère central de la collaboration entre médecins et ingénieurs pour faire avancer la recherche.

«Les approches d’immunothérapie qui ciblent les points de contrôle immunitaires ont révolutionné la thérapie anticancéreuse pour plusieurs cancers. Cependant, seule une petite minorité de patients présente un bénéfice clinique durable et un traitement curatif», déclare le co-auteur principal Nithya Ramnath, MBBS, oncologue et professeur de médecine interne à Médecine du Michigan. « Des études préliminaires sur les cellules NK, seules ou en combinaison avec des inhibiteurs de point de contrôle immunitaire, n’ont cependant donné que des résultats modestes. Les exosomes dérivés de NK, en revanche, sont capables de se loger plus efficacement dans les tumeurs. Le présent article représente un progrès technologique dans la capacité de récolter non seulement des cellules NK, mais aussi des exosomes dérivés de NK qui pourraient contribuer à éclairer les futures approches immunothérapeutiques. «