Projekti / Programi
Uravnavanje imunoterapije raka z ultrazvokom
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 3.04.00 |
Medicina |
Onkologija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| B000 |
Biomedicinske vede |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 3.02 |
Medicinske in zdravstvene vede |
Klinična medicina |
sonogenetika, ultrazvok, imunoterapija raka, transkripcijska regulacija, ionski kanali, proteinski plinski mehurčki
Raziskovalci (18)
Organizacije (2)
Povzetek
Ozadje in predstavitev problema. Velik potencial pri zdravljenju raka ima imunoterapija, ki z aktivacijo imunskega odziva prepozna in uniči rakave celice. Vendar pa je težko napovedati uspešnost zdravljenja, saj je le-to lahko neuspešno zaradi odstranjevanja tarčnih rakavih celic, ki jih ciljamo s T celicami ter zaradi specifičnih pogojev v mikro okolju tumorja. Iz tega sledi, da je potreben razvoj novih terapevtskih strategij, ki spreminjajo TME v kombinaciji z izboljšanjem za tumor specifičnih T efektorskih celic. Natančen prostorski in časovni nadzor terapije v bližini tumorja bi poleg tega preprečeval nastanek sistemskih neželenih učinkov terapije. Optogenetika je z razvojem genetsko kodiranih orodij, ki omogočajo časovno in prostorsko definiran nadzor celičnih procesov s svetlobnim signalom, vnesla revolucijo na področju znanosti o življenju. Prenos optogenetike v terapijo pa onemogoča slaba penetracija svetlobe v tkivo. Zato nameravamo svetlobo nadomestiti z ultrazvokom, ki precej bolje prodira v globoko tkivo. Navkljub zmožnosti fokusiranja ultrazvočnega signala in dokazani varnosti diagnostičnega ultrazvoka, trenutno manjkajo orodja, ki bi omogočila specifično aktivacijo tarčnih celic ter sklopitev stimulacije celic s transkripcijsko regulacijo, s čimer bi lahko aktivirali ali zavrli izražanje poljubnega gena.
Cilji raziskave. Glavni cilj projekta je razviti potencial ultrazvoka kot neinvazivnega in specifičnega signala za aktivacijo tarčnih celic in z ultrazvokom doseči sprožitev transkripcijske regulacije izbranih genov in vivo. Pripraviti želimo genetska orodja, ki bodo povečala občutljivost celic na ultrazvok in ustrezne reporterje, ki nam bodo omogočali spremljanje celičnega odgovora in vivo. Aktivacijo mehanoreceptorjev želimo sklopiti z vplivom na transkripcijo izbranih genov. Cilji projekta so:
1. Celicam povečati občutljivost na aktivacijo z ultrazvokom
V sesalske celice bomo vnesli kalcijeve ionske kanale iz družine TRP in bakterijske mehanosenzitivne kanalčke in spremljali povišanje znotrajcelične koncentracije Ca2+ ionov po aktivaciji z ultrazvokom. Še dodatno bomo izboljšali ultrazvočno aktivacijo celic z dodatkom proteinskih plinskih veziklov in/ali lipidnih mehurčkov, ki jih bomo pripeli na površino sonogenetske celične naprave.
2. Povezati aktivacijo z ultrazvokom s transkripcijsko aktivacijo
Odziv na mehanske signale nameravamo sklopiti z aktivacijo izbranih celičnih procesov. Povečanje znotrajcelične koncentracije Ca2+ ionov bomo povezali s transkripcijsko aktivacijo pod kontrolo dejavnika transkripcije NFAT (jedrni dejavnik aktiviranih celic T). Od kalcija odvisna defosforilacija dejavnika NFAT omogoči translokacijo v jedro, kjer NFAT deluje na tarčne endogene in dodane gene. Od Ca2+ odvisne transkripcijske regulatorje bomo spremenili tako, da bodo tarčno delovali le na izbrane gene, kar bomo dosegli z zamenjavo DNA-vezalne domene z načrtovanimi dejavniki transkripcije (TALE).
3. Preveriti uporabo ultrazvočne aktivacije v medicinsko relevantnem okolju
Po demonstraciji z ultrazvokom povzročene transkripcijske aktivacije izbranega gena v celičnih linijah, bomo vzpostavili sistem za ultrazvočno aktivacijo celic in vivo, kar je ključno za razvoj terapevtskih aplikacij sonogenetike. Z aktivacijo sonogenetske celične naprave z ultrazvokom bomo spreminjali TME tumorja.
Originalnost, relevanca, vpliv rezultatov in izvedljivost študije. Predlagani projekt predstavlja popolnoma nov koncept, ki gradi na znanju optogenetike in združuje izkušnje projektne skupine v sintezni biologiji, celični biologiji, nevrobiologiji in imunologiji s ciljem razvoja nove tehnološke platforme. Projekt bo omogočil pomemben napredek v razvoju z ultrazvokom aktiviranih celičnih naprav, ki imajo lahko pomembno vlogo v medicini in vedah o življenju in lahko odpre številna nova raziskovalna področja in terapevtske prijeme. Dosedanji rezultati projektne skupine nakazujejo, da bo projekt uspešno izveden in zaključen.
Pomen za razvoj znanosti
Kljub naraščajočemu znanju in napredku na področju zdravljenja rakavih obolenj, ta še vedno veljajo za drugi najpogostejši vzrok smrti na svetu in so bila razlog za 1,3 milijona smrtnih žrtev v EU28 v letu 2014. Zato so pomembni novi terapevtski pristopi, ki vključujejo imunoterapijo in zdravljenje raka, kar bomo raziskovali v predlaganem projektu. V okviru projekta bomo razvijali možnosti uporabe ultrazvoka, ki predstavlja neinvaziven način za doseganje prostorsko natančne in specifične aktivacije celic v globokem tkivu in s tem transkripcijsko aktivacijo tarčnih genov. V ta namen bomo pripravili genetsko kodirane senzorje in poročevalske gene v kombinaciji s transkripcijskimi modulatorji. Sistem bomo testirali na različnih vrstah sesalskih celic ter in vivo na ustreznih mišjih modelih melanoma.
Predlagani projekt predstavlja inovativen koncept, ki združuje področje hitro razvijajoče se optogenetike z našim znanjem sintezne, celične in molekularne biologije, ki nam omogoča gradnjo nove tehnološke platforme. Sonogenetika ima v primerjavi z optogenetiko še večji potencial za prenos v medicine zaradi že dokazane varnosti med dolgoletno uporabo diagnostičnega ultrazvoka ter predvsem zaradi neinvazivnosti, ki bi lahko omogočala široko uporabo na področju nevroloških bolezni.
Rezultati projekta bi ponudili pomemben napredek na področju celičnih naprav s številnimi možnostmi uporabe od ultrazvočnih celičnih naprav v imunoterapiji raka do zdravljenja nevroloških in metabolnih bolezni. V okviru projekta bomo razvili genetska orodja, ki bodo povečala občutljivost celic na ultrazvok in ustrezne reporterje za spremljanje celičnega odgovora s potencialom za uporabo v raziskovalne in terapevtske namene. Pomembna prednost predlaganih raziskav je prav odpiranje novih možnosti za nadaljnji razvoj, npr. na področju združevanja aktivacije mehanorecepterjev z endogenimi ali načrtovanimi sinteznimi signalnimi potmi, doseganje lokalnega sproščanja modulatorjev imunskega odziva in hormonov, načrtovanje novih celičnih senzorjev, omogočanje natančnega ciljanja tarčnih celic, in situ diagnostika strižnih sil v celicah endotelija itd.
Predlagan interdisciplinarni pristop združuje znanje s področja sintezne in celične biologije, imunologije in onkologije ter predstavlja inovativen prispevek, ki bi lahko odprl številne možnosti v terapiji različnih bolezni. Prav izrazito interdisciplinarna naravnanost projekta odpira možnosti za mednarodno sodelovanje s tujimi raziskovalci npr. V okviru Horizon2020, ERANET in bilateralnih projektov, omenjenih v sekciji 9.2, ter bo v delovno skupino pripeljala nove doktorske in magistrske študente.
Pomen za razvoj Slovenije
Despite growing knowledge on molecular mechanisms underlying common diseases we are still unable to successfully fight many of them. Cancer is the second leading cause of death globally, and was responsible for 1.3 million deaths in EU28 2014. (http://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php/Cancer_statistics). Consequently, the economic impact of cancer is significant and is increasing; therefore, novel therapeutic approaches integrating immunotherapy and cancer drugs combating cancer are of high relevance. Within this project we will explore and develop the potential of the ultrasound as a noninvasive approach for precisely defined cellular activation in the deep tissue and transcriptional regulation of target genes for which we will construct genetically encoded sensors, reporters and transcriptional modulators and test them in different mammalian cells as well as in in vivo studies using melanoma mouse model.
The proposed approach represents a highly innovative concept, which builds on the cutting edge optogenetics and our expertise in synthetic biology to construct a new technological platform. Sonogenetics has even greater translation potential than optogenetics due to the demonstrated lack of negative adverse effects in diagnostic ultrasound and primarily due to its noninvasiveness, which is probably the most important obstacle to wider therapeutic applications of optogenetics in neurological diseases.
The proposed project will provide an important advance on the construction of ultrasound-responsive molecular devices which have many possible implications e.g. in cancer immunotherapy, treatment of neurologic and metabolic diseases. Several ultrasound and mechanical stimulus-responsive modulators and reporters will be developed within the proposed project, which could be used as the research and therapeutic tools. One of the important advantages of the proposed direction of research is that it opens many possible avenues for the further research, such as e.g. coupling mechanoreceptor activation to the existing or designed signaling pathways, local release of imuno- and neuro- modulators and hormones, design of new cellular sensors, selection of target cells, in situ diagnostics of shear flow in endothelial cells etc.
Our interdisciplinary approach combining the expertise from synthetic and cell biology, immunology to oncology represents an innovative and original contribution in these very competitive disciplines and might open new therapeutic possibilities in a variety of diseases. The interdisciplinary nature of the project opens new possibilities for international cooperation with researchers e.g. within Horizon2020 or ERANET and bilateral projects (some listed in Section 9.2) and will recruit new PhD and undergraduate students.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
