Saúde

Transformando o problema da metástase do câncer em uma oportunidade
A distribuição de nanopartículas imunoestimulantes aos pulmões por meio de glóbulos vermelhos interrompe o crescimento do tumor em camundongos
Por Lindsay Brownell - 17/11/2020


O sistema EASI distribui partículas de ImmunoBait nas células que revestem os vasos sanguíneos dos pulmões, onde liberam sua carga de quimiocina. Essa ação estimula o sistema imunológico do corpo a produzir a quimiocina por conta própria e cria uma resposta imunológica contra as metástases pulmonares. Crédito: Wyss Institute da Harvard University

Quando um paciente com câncer recebe a notícia devastadora de que sua doença se espalhou, ou metastatizou, em uma nova parte do corpo, na maioria das vezes ela se transferiu para os pulmões. Não existem tratamentos aprovados para metástases pulmonares, que é a principal causa de morte por doença metastática. Esse prognóstico sombrio pode em breve ser menos sombrio graças a uma nova técnica desenvolvida por pesquisadores do Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia de Harvard e da Escola John A. Paulson de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS).

Em vez de ver a metástase pulmonar como uma precipitação infeliz de um tumor primário em outro lugar, a equipe se concentrou no tratamento da metástase, entregando produtos químicos que atraem células do sistema imunológico para o câncer de pulmão por meio de células vermelhas do sangue. Essa abordagem não apenas interrompeu o crescimento do tumor pulmonar em camundongos com câncer de mama metastático, mas também agiu como uma vacina e protegeu os animais contra futuras recorrências do câncer. A pesquisa foi publicada na Nature Biomedical Engineering.  

“Nossa abordagem é exatamente o oposto dos tratamentos convencionais de câncer que se concentram em fazer o sistema imunológico reconhecer e atacar o tumor primário, porque esses tumores são muitas vezes grandes e difíceis de serem penetrados pelas células imunológicas”, disse o co-autor Zongmin Zhao, um pós-doutorado no Wyss Institute e SEAS. “Nós reconhecemos que a alta densidade de vasos sanguíneos nos pulmões fornece um acesso muito melhor aos tumores, oferecendo uma oportunidade única de induzir uma resposta imunológica ao direcionar a metástase.”

Uma solução EASI para um problema difícil

Administrar terapias ao alvo pretendido enquanto poupa o resto do corpo é um dos grandes desafios da medicina. O fígado e o baço são incrivelmente eficientes na filtragem de quaisquer substâncias estranhas do sangue, o que significa que os medicamentos geralmente precisam ser administrados em altas doses que podem causar efeitos colaterais prejudiciais. Superar essa barreira para um tratamento eficaz é o principal foco do trabalho do membro do corpo docente de Wyss, Samir Mitragotri , e seu laboratório descobriu recentemente que anexar nanopartículas cheias de drogas aos glóbulos vermelhos permite que eles escapem da detecção e permaneçam no corpo tempo suficiente para entregar suas cargas úteis, minimizando a toxicidade.

Zhao e seus co-autores decidiram usar essa técnica para ver se eles poderiam fornecer produtos químicos estimulantes do sistema imunológico para tumores pulmonares metastáticos em vez da quimioterapia, que pode danificar o tecido pulmonar. Eles escolheram uma quimiocina, uma pequena proteína que atrai os glóbulos brancos, chamada CXCL10 como carga útil. 

Quando o câncer passa por metástase, os vasos sanguíneos ramificados que permitem que o oxigênio se espalhe dos sacos de ar dos pulmões para os glóbulos vermelhos são tão pequenos que uma célula cancerosa nociva circulando na corrente sanguínea pode facilmente ficar presa lá e fixar residência, eventualmente crescendo um tumor secundário. Uma vez estabelecidos, os tumores metastáticos desencadeiam uma campanha de estímulos químicos que frustram as defesas do corpo, dificultando os esforços para induzir uma resposta imunológica.  

Nanopartículas.
Esta imagem de microscopia eletrônica de varredura (SEM) mostra nanopartículas
de ImmunoBait, que são carregadas com uma quimiocina imunoestimuladora e
anexadas aos glóbulos vermelhos. Wyss Institute
da Harvard University

“As metástases pulmonares esgotam certos tipos de quimiocinas de seu ambiente local, o que significa que o sinal que deveria atrair glóbulos brancos benéficos para combater o tumor se foi. Nossa hipótese é que fornecer esse sinal de quimiocina no local do tumor poderia ajudar a restaurar a resposta imunológica normal do corpo e permitir que ele ataque os tumores ”, disse a co-autora Anvay Ukidve, ex-pesquisadora graduada do Wyss Institute e SEAS que agora é um cientista em uma empresa farmacêutica. 

 A equipe primeiro otimizou suas nanopartículas para garantir que elas se separassem de seus hospedeiros de células vermelhas do sangue apenas quando as células sanguíneas pressionassem os minúsculos capilares dos pulmões. Eles também decoraram as superfícies das nanopartículas com um anticorpo que se liga a uma proteína comumente encontrada nas células dos vasos sanguíneos do pulmão, chamada ICAM-1, para ajudar a aumentar a retenção das nanopartículas nos pulmões. Essas nanopartículas foram então preenchidas com a quimiocina CXCL10, criando um pacote que os pesquisadores chamaram de ImmunoBait. Partículas de ImmunoBait foram então anexadas aos glóbulos vermelhos de camundongos para criar um sistema de entrega terapêutica denominado imunoterapia sistêmica ancorada em eritrócitos (EASI) e injetadas na corrente sanguínea de camundongos com câncer de mama que tiveram metástase em seus pulmões. 

As partículas de ImmunoBait permaneceram nos pulmões dos animais por até seis horas após a injeção de EASI, e a maioria delas foi distribuída dentro e ao redor das metástases. O tratamento com EASI levou a uma forte expressão de CXCL10 por até 72 horas, sugerindo que a administração da quimiocina estimulou o corpo a começar a produzi-la por conta própria, apesar do microambiente tumoral imunossupressor. Para descobrir exatamente que efeito o CXCL10 administrado teve no sistema imunológico dos ratos, a equipe analisou os diferentes tipos de células presentes nos pulmões antes e depois da injeção de EASI. Eles observaram aumentos na infiltração de células T helper tipo 1 (Th1) CD4, que liberam produtos químicos pró-inflamatórios que ajudam a manter os tumores sob controle, bem como células CD8 efetoras e células assassinas naturais (NK), que conduzem a morte direta de células cancerosas. 

Injete localmente, proteja globalmente

Armada com evidências de que seu sistema poderia atrair células imunológicas para metástases pulmonares, a equipe testou sua capacidade de retardar ou interromper a progressão da doença em ratos. Eles primeiro removeram os tumores de câncer de mama dos animais (para imitar a cirurgia que os pacientes costumam fazer para tratar seus tumores primários) e, em seguida, injetaram-lhes apenas CXCL10, nanopartículas de ImmunoBait ou EASI. 

EASI inibiu a progressão da metástase pulmonar com eficácia quatro e seis vezes maior do que CXCL10 livre e ImmunoBait, respectivamente. Todos os camundongos tratados com EASI tinham menos de 20 nódulos metastáticos após 37 dias, e 25 por cento deles tinham apenas um nódulo. Em contraste, os ratos que receberam as outras terapias tiveram de dois a 100 nódulos. Os ratos que receberam EASI também tiveram sobrevida quase três vezes melhor: enquanto os animais em todos os outros grupos de tratamento sucumbiram à doença em menos de 20 dias, cerca de 25 por cento dos ratos tratados com EASI sobreviveram por 40 dias. Eles também estavam livres de quaisquer sinais de toxicidade fora do alvo ou outros efeitos negativos do tratamento.

Como o EASI ativou efetivamente o sistema imunológico contra metástases pulmonares, os pesquisadores se perguntaram se essa ativação poderia fornecer proteção duradoura contra recorrências futuras do mesmo câncer. Eles analisaram o sangue de camundongos que receberam EASI e observaram um aumento no número de células CD8 de memória, que persistem por muito tempo após uma ameaça imunológica e podem soar o alarme se essa ameaça reaparecer. Para testar se essas células de memória forneciam proteção suficiente, a equipe reinoculou camundongos com as mesmas células tumorais dois dias após o último tratamento. Os camundongos que foram tratados com EASI tiveram crescimento e peso tumorais significativamente menores do que os camundongos que foram injetados com solução salina ou deixados sem tratamento, demonstrando que o tratamento local de metástases pulmonares produziu imunidade sistêmica contra o desenvolvimento do tumor.

"Essas descobertas destacam a capacidade de nosso sistema EASI de converter a adversidade biológica da metástase em uma oportunidade terapêutica única contra cânceres metastáticos", disse o autor sênior Mitragotri, que também é Professor Hiller de Bioengenharia e Professor Hansjörg Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia em SEAS. Sua equipe continua a otimizar o EASI por meio de experimentos com a entrega de diferentes tipos de quimiocinas por meio de nanopartículas ImmunoBait e está explorando a combinação de EASI com terapias contra o câncer atualmente aprovadas para identificar potenciais sinergias.

“Esta abordagem bioinspirada única para a terapia do câncer é um exemplo maravilhoso do pensamento out-of-the-box que encorajamos e apoiamos no Wyss Institute - alavancando os próprios glóbulos vermelhos do corpo para fornecer medicamentos aos vasos sanguíneos capilares do pulmão onde muitas metástases se formam, a equipe de Samir desenvolveu um tipo inteiramente novo de imunoterapia e abriu a porta para terapias que salvam vidas ”, disse o diretor fundador do Wyss Institute, Don Ingber, que também é professor de Biologia Vascular Judah Folkman na Harvard Medical School e da Biologia Vascular Programa no Boston Children's Hospital, bem como professor de bioengenharia do SEAS. 

Outros autores do artigo são os atuais membros do Wyss e SEAS, Yongsheng Gao e Jayoung Kim; ex-membros do Wyss e SEAS Vinu Krishnan, Daniel Pan, Michael Evans e Abhirup Mandal; a ex-estudante de graduação da SEAS Alexandra Fehnel; o ex-Wyss Institute Fellow Junling Guo; e Vladimir Muzykantov, da Perelman School of Medicine da University of Pennsylvania.

Esta pesquisa foi apoiada pelo Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia e pelo National Institutes of Health.