Cure ingegneristiche

Non chiedere a Sangeeta Bhatia, SM '93, PhD '97, se è una biologa o un ingegnere. Per lei la domanda è fuori luogo, come lo è per tutti gli altri professori del MIT che usano gli strumenti sia dell'ingegneria che della biologia per studiare il cancro. Quando ci si concentra sulle malattie umane, non c'è un vero confine tra scienza, ingegneria e medicina, dice Bhatia, un professore associato che sta sviluppando nanoparticelle per il monitoraggio e il trattamento del cancro.

Bhatia è uno dei tanti ricercatori del MIT che trarranno vantaggio dalla creazione del nuovo David H. Koch Institute for Integrative Cancer Research. Questo autunno, David H. Koch '62, SM '63, ha donato al MIT 100 milioni di dollari per finanziare la ricerca che riunisce approcci biologici e ingegneristici per combattere il cancro. Il Koch Institute si baserà sul lavoro pionieristico del Centro per la ricerca sul cancro del MIT; i membri della facoltà del centro (insieme a 10 professori di ingegneria del MIT finora) sono diventati i suoi membri fondatori. Il dono di Koch accelererà anche la costruzione di una nuova struttura per la ricerca sul cancro, che sarà inaugurata a marzo e l'apertura è prevista per il 2010.

Coinvolgere persone provenienti da altre discipline è importante nella lotta contro il cancro, afferma il direttore del Koch Institute e professore di biologia Tyler Jacks, che ha diretto il Center for Cancer Research. Abbiamo i migliori ingegneri al mondo, quindi la nostra forza lavoro non ha eguali.

Jacks afferma che considerare il cancro come un problema di ingegneria, un'idea relativamente nuova, promuove nuovi approcci alla ricerca di base e nuovi modi di affrontare i problemi pratici. Sul fronte della ricerca di base, significa applicare la mentalità e gli strumenti dell'ingegneria: considerare le cellule come sistemi complessi e sfruttare modelli informatici che possono dare un senso a grandi quantità di dati. Dal punto di vista applicativo, significa sviluppare nuovi farmaci, nuovi materiali per la somministrazione di farmaci e nuovi dispositivi per monitorare la progressione della malattia.

Molti ricercatori sul cancro del MIT avevano già adottato questo approccio negli ultimi cinque anni circa, afferma Jacks, e l'afflusso di finanziamenti e supporto istituzionale garantirà che i loro progetti prosperino.

C'è un'artificiosità della vecchia scuola nell'idea di 'ingegneri' e 'biologi', afferma Dane Wittrup, professore di ingegneria chimica e bioingegneria e membro del Koch Institute. Per realizzare qualsiasi cosa nel campo biomedico, dice, gli ingegneri devono avere la biologia nei loro laboratori e nei loro cervelli.

Bhatia, che ha conseguito un MD oltre ai suoi diplomi del MIT, è d'accordo. I biologi e gli ingegneri hanno competenze complementari; le idee fluiscono in entrambe le direzioni, il che è ciò che rende il lavoro in entrambi i campi così eccitante, afferma: Vediamo molti esempi spesso inaspettati di ingegneria che consente la scienza attraverso lo sviluppo di strumenti e la scienza viene tradotta attraverso l'ingegneria in diagnostica e terapia.

Ecco tre progetti al MIT che illustrano come la fusione tra ingegneria e biologia potrebbe aiutare i ricercatori a comprendere e, in definitiva, curare il cancro.

Evoluzione dell'imbottigliamento
Dane Wittrup è un ingegnere proteico. Prende le terapie per il cancro e cerca di farle funzionare meglio, con meno effetti collaterali, attraverso una combinazione di fortuna e design.

Wittrup produce terapie anticorpali ad alte prestazioni che mobilitano il sistema immunitario contro le cellule tumorali, che prosperano perché il corpo non riesce a riconoscerle come maligne. I classici farmaci chemioterapici sono veleni con forti effetti collaterali, dice. Una proteina anticorpale, d'altra parte, ha generalmente meno effetti collaterali perché si lega a un particolare bersaglio, come un antigene tumorale. Il sistema immunitario vede che [una cellula] ha anticorpi dappertutto e risponde: 'È ricoperta di anticorpi, quindi la ucciderò', dice.

Per realizzare terapie proteiche più efficaci, Wittrup utilizza quella che viene chiamata evoluzione diretta. Stai imbottigliando l'evoluzione darwiniana e impostando tu stesso le regole di sopravvivenza, dice. Innanzitutto, crea decine di milioni di versioni mutate del gene per una particolare proteina e inserisce ciascun gene in una cellula di lievito. Quindi utilizza varie tecniche di screening per identificare le cellule di lievito che trasportano la migliore versione della proteina. Questa potrebbe essere la proteina che si lega più fortemente a un determinato bersaglio o la proteina che è più stabile in un particolare intervallo di temperature, tra molte altre possibilità. Wittrup afferma che gli ingegneri proteici hanno perfezionato l'evoluzione diretta al punto da poterla utilizzare per produrre qualsiasi proteina vogliano. Ora, invece di lavorare solo su nuovi strumenti per la progettazione delle proteine, usa tali strumenti per produrre proteine ​​che potrebbero aiutare a curare il cancro.

Progettare le proteine ​​non è più la parte difficile, dice. Ciò che è più difficile e interessante è determinare su quali proteine ​​lavorare, cosa fanno e come.

Il semplice miglioramento di una delle proprietà importanti di una proteina spesso non è sufficiente per migliorare le sue prestazioni come farmaco. La maggior parte delle persone è piuttosto ingenua su ciò che è necessario per rendere potente un farmaco, afferma Wittrup. L'approccio ingenuo, di cui si dice colpevole, è quello di testare le proteine ​​terapeutiche solo per quanto strettamente si legano al loro bersaglio del cancro; ma tali prove, dice, presuppongono che l'affinità sia uguale alla potenza. Sono condotti completamente fuori contesto, in una goccia di soluzione di coltura cellulare in un piatto di plastica, fuori dal corpo, fuori dai tumori da cui provengono le cellule.

Wittrup ha imparato la lezione nel modo più duro. Ha usato l'evoluzione diretta nel tentativo di migliorare le prestazioni di un anticorpo contro l'antigene carcinoembrionario (CEA), una proteina che è sovrabbondante sulla superficie di alcuni tumori. L'anticorpo legante il CEA con cui ha iniziato cade dalla cellula e viene filtrato dal sangue prima che possa provocare una forte risposta immunitaria. Così ha sviluppato una versione che si legava molto più fortemente alle proteine ​​sulla superficie delle cellule cancerose. La forza di legame del suo anticorpo ingegnerizzato era di due ordini di grandezza maggiore di quella di qualsiasi altro anticorpo conosciuto all'epoca; a detta di tutti, sembrava essere un grande successo. Ma quando lo ha testato su topi vivi portatori di cancro al colon umano, non ha funzionato meglio dell'originale. Come può essere?

Tornando agli strumenti dell'ingegneria, Wittrup ei suoi studenti laureati hanno adattato i modelli matematici normalmente utilizzati per lo studio dei catalizzatori industriali al fine di esaminare la cinetica della sua proteina legante il CEA nei tumori. Nei topi vivi, l'anticorpo ingegnerizzato veniva ancora eliminato troppo velocemente, in questo caso perché veniva riciclato prima che avesse il tempo di raggiungere il centro di un tumore. Le proteine ​​​​ciclano piuttosto rapidamente attraverso tutte le cellule, normali e cancerose, rimanendo generalmente intatte solo per minuti o ore. Vengono tagliati in pezzi più piccoli in modo che possano essere riutilizzati in nuove proteine. Fa parte della normale manutenzione cellulare; proprio come la tua casa sarebbe una discarica se non portassi mai fuori la spazzatura, le cellule sarebbero sopraffatte se si trattenessero su ogni molecola che hanno mai prodotto o ingerito.

Anche se il legame dura una settimana, non importa, dice Wittrup. Tutto finisce nel tritarifiuti.

Utilizzando i suoi modelli e lavorando con specialisti di imaging per osservare il progresso della sua proteina attraverso topi vivi, Wittrup sta ora tentando di modificare la proteina in modo che si diffonda attraverso il tumore troppo rapidamente perché le cellule tumorali possano eliminarla in tempo. Ma l'anticorpo mirato al CEA è solo una delle tante terapie che sta sviluppando. Un altro è una versione più sicura di un farmaco tossico per il cancro del rene e il melanoma, su cui sta lavorando con un collega professore del Koch Institute, l'immunologo Jianzhu Chen.

Non sappiamo tutto del cancro, dice Wittrup. Ma aggiunge che sappiamo abbastanza per fare di più per sviluppare nuove terapie. Parlato come un ingegnere.

Cellule come sistemi
La gente dice che il cancro deriva da una sorta di disregolazione della funzione cellulare, afferma Douglas Lauffenburger, direttore della divisione di ingegneria biologica del MIT e membro della facoltà affiliato del Koch Institute. Quindi sta adottando un approccio ingegneristico alla domanda su come vengono regolate le funzioni cellulari. Le sue risposte potrebbero aiutare i ricercatori a prevedere se un determinato farmaco funzionerà.

Il Progetto Genoma Umano ha portato i biologi alla sfortunata conclusione che non esiste una spiegazione semplice di come interagiscono i geni e di come queste interazioni facciano muovere, crescere e morire le cellule. Invece, dice Lauffenburger, ha avvertito tutti di quanto sarebbe stato complesso. I ricercatori speravano di affrontare le malattie, compreso il cancro, rintracciandole in singole proteine ​​o geni che avrebbero potuto riparare con una pallottola magica. Ma l'analisi del genoma suggerisce che le funzioni cellulari sono regolate da molti geni, molte proteine ​​che interagiscono.

Non solo ogni funzione cellulare sembra essere influenzata da molti geni, ma i ricercatori ora pensano che ogni funzione data possa essere il risultato di molti percorsi molecolari diversi. Proprio come alcuni aeroplani hanno più motori del necessario, le cellule hanno una ridondanza incorporata. Se un farmaco interferisce con una proteina che aiuta una cellula cancerosa a dividersi, la cellula potrebbe ricorrere a quattro o cinque percorsi in più.

La complessità di queste reti regolatorie rende molto difficile prevedere cosa farà un farmaco, afferma Lauffenburger. Di conseguenza, lo sviluppo di farmaci è tutto per tentativi ed errori, ed è estremamente inefficiente e costoso. I ricercatori testano innumerevoli composti per concentrarsi su quelli con promesse. Prima un composto inefficace può essere eliminato dalla corsa, minori sono i costi di sviluppo del farmaco. Quindi, in un approccio noto come biologia dei sistemi o delle reti, Lauffenburger e altri stanno esaminando le cellule come sistemi complessi e costruendo programmi per computer in grado di elaborare grandi quantità di dati sulle interazioni biomolecolari. Lauffenburger mappa il modo in cui le proteine ​​interagiscono e mostra come queste interazioni influenzano le funzioni cellulari, inclusa la crescita. Con tali modelli, lui e altri sperano di prevedere come i farmaci influenzeranno le cellule dal punto di vista biochimico e, a loro volta, come influenzeranno la funzione cellulare.

Lauffenburger ha recentemente utilizzato questo approccio per prevedere l'effetto di un particolare farmaco sulle cellule tumorali epiteliali, una classe di cellule che include quelle coinvolte nei tumori del colon, della mammella, della cervice e della pelle. Il farmaco inibisce una via che impedisce la morte cellulare. Questo percorso è attivo in quasi tutti i tumori epiteliali, quindi un ricercatore che considera solo un percorso alla volta si aspetterebbe che il farmaco uccida più tipi di cellule tumorali. Ma si scopre che non è così. Mentre il farmaco aumenta il tasso di mortalità delle cellule del cancro del colon, non aumenta quello delle cellule del cancro della mammella o del collo dell'utero, che hanno molti altri percorsi su cui ricorrere. Le mappe delle interazioni proteiche di Lauffenburger hanno accertato come la somma di cinque percorsi lavora insieme per governare la morte cellulare, dice.

Non è chiaro, tuttavia, quanto saranno ampiamente applicabili i modelli di Lauffenburger. Spunta le molte domande che rimangono: un modello di interazioni proteiche in una cellula cancerosa epiteliale avrà bisogno di molte modifiche prima di poter essere applicato ad altri tipi di cellule cancerose? Quali sono i migliori tipi di misurazioni da inserire in questi modelli? E, cosa più importante, i modelli possono aiutare i ricercatori a scoprire perché un farmaco funziona per alcuni pazienti e non per altri? Attualmente sta perseguendo collaborazioni con le aziende farmaceutiche Pfizer, AstraZeneca e Merrimack Pharmaceuticals per sviluppare modelli da utilizzare per testare nuovi farmaci.

Più in generale, il lavoro di Lauffenburger e di altri biologi della rete sta cambiando il modo in cui i biologi considerano il cancro. Non esiste una molecola magica, dice Lauffenburger, nessun obiettivo semplice e singolo da identificare che sarà la chiave per curare la malattia. Ma considerare le cellule cancerose come sistemi complessi andati storto e concentrarsi su quelle che lui chiama le effettive attività delle loro proteine, sta portando a una nuova comprensione di come funzionano le cellule.

Farmaci telecomandati
Oggi, l'unico modo per i medici di verificare che i farmaci antitumorali stiano raggiungendo i loro obiettivi è eseguire scansioni di risonanza magnetica (MRI) dopo settimane di trattamento per vedere se i tumori dei pazienti si sono ridotti. Sangeeta Bhatia, professore associato di ingegneria elettrica e informatica nella Divisione di scienze e tecnologie della salute e membro del Koch Institute, sta sviluppando nanoparticelle multiuso che spera accorceranno questo processo, ridurranno gli effetti collaterali della chemioterapia e renderanno il trattamento più efficace.

I composti di Bhatia agiscono come precisi veicoli di somministrazione dei farmaci e agenti di contrasto per risonanza magnetica; si concentrano sui vasi sanguigni tumorali e, una volta lì, attirano più nanoparticelle. Recentemente, ha sviluppato un modo per farli rilasciare i loro carichi utili a comando quando riscaldati da onde elettromagnetiche a bassa frequenza applicate dall'esterno del corpo.

Le nanoparticelle sono sfere di ossido di ferro legate a peptidi e filamenti di DNA mirati al tumore. Il DNA è a sua volta legato a farmaci come il cisplatino, un agente chemioterapico. Quando i nuclei di ossido di ferro vengono riscaldati dalle onde a radiofrequenza (che non influiscono sui tessuti del corpo), il DNA si scioglie: i filamenti della doppia elica si separano, liberando il farmaco.

La temperatura alla quale un filamento di DNA si scioglie dipende dalla lunghezza del filamento, rendendo le nanoparticelle ancora più versatili. I medici potrebbero somministrare un cocktail di particelle progettato per rilasciare i loro farmaci a diverse temperature, quindi attivare in sequenza dosi multiple applicando frequenze radio diverse. Inoltre, il paziente non dovrebbe venire per l'imaging, quindi la chemioterapia, quindi le scansioni ripetute, afferma Bhatia. Poiché l'ossido di ferro funge anche da agente di contrasto, le scansioni MRI somministrate al momento del trattamento sarebbero in grado di verificare che un farmaco abbia raggiunto il tumore che stava prendendo di mira.

Anche altri gruppi stanno lavorando sull'utilizzo di nanoparticelle per la chemioterapia mirata. Ma o le loro tecniche sono passive - il rilascio di farmaci non può essere controllato ma avviene nel tempo - oppure non hanno funzionato molto bene. Bhatia, tuttavia, ha dimostrato le sue nanoparticelle telecomandate in topi a cui erano stati impiantati tumori modello fatti di gel. Le radiofrequenze applicate dall'esterno dei topi hanno innescato il rilascio di farmaci modello che sono penetrati nel tessuto circostante.

Bhatia lavora da anni su queste nanoparticelle, in collaborazione con Erkki Ruoslahti, professore di biologia all'Università della California, Santa Barbara, esperto di ambiente tumorale, e con Michael Sailor, professore di chimica all'Università della California , San Diego.

Ora, lavorando con il professor Phillip Sharp dell'Istituto del MIT, spera di utilizzare le particelle per fornire terapie di interferenza dell'RNA, che mostrano grandi promesse ma devono ancora essere all'altezza del loro potenziale. Nell'interferenza dell'RNA, sequenze di RNA appositamente progettate ostacolano l'espressione di particolari geni. Aziende come Alnylam sperano di sfruttare il processo per disattivare terapeuticamente i geni della malattia, ma la consegna rimane un problema di fondamentale importanza da risolvere, afferma Sharp, biologo premio Nobel e cofondatore di Alnylam. Nella tecnica su cui sta lavorando Bhatia, le nanoparticelle sarebbero legate a filamenti di RNA invece che di DNA; piuttosto che trasportare un farmaco, spiega, l'RNA stesso sarebbe il farmaco.

Bhatia afferma che il grande vantaggio delle sue nanoparticelle è che potrebbero integrare rilevamento e terapia. I medici che curano il diabete e le malattie cardiache possono già impiantare pompe per glucosio e defibrillatori che non si limitano a somministrare il trattamento, ma monitorano i risultati, adattando il trattamento secondo necessità. Allo stesso modo, Bhatia spera, le nanoparticelle consentiranno ai medici di valutare più rapidamente se la chemioterapia sta funzionando e di modificarla in caso contrario, alleviando lo stress e salvando vite umane.

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