Des anticorps synthétiques.

Researchers at MIT have developed a synthetic gene circuit that triggers the body's immune system to attack cancers when it detects signs of the disease.

The circuit, which will only activate a therapeutic response when it detects two specific cancer markers, is described in a paper published in the journal Cell.

Immunotherapy is widely seen as having considerable potential in the fight against a range of cancers. The approach has been demonstrated successfully in several recent clinical trials, according to Timothy Lu, associate professor of biological engineering and of electrical engineering and computer science at MIT.

"There has been a lot of clinical data recently suggesting that if you can stimulate the immune system in the right way you can get it to recognize cancer," says Lu, who is head of the Synthetic Biology Group in MIT's Research Laboratory of Electronics. "Some of the best examples of this are what are called checkpoint inhibitors, where essentially cancers put up stop signs [that prevent] T-cells from killing them. There are antibodies that have been developed now that basically block those inhibitory signals and allow the immune system to act against the cancers."

However, despite this success, the use of immunotherapy remains limited by the scarcity of tumor-specific antigens -- substances that can trigger an immune system response to a particular type of cancer. The toxicity of some therapies, when delivered as a systemic treatment to the whole body, for example, is another obstacle.

What's more, the treatments are not successful in all cases. Indeed, even in some of the most successful tests, only 30-40 percent of patients will respond to a given therapy, Lu says.

As a result, there is now a push to develop combination therapies, in which different but complementary treatments are used to boost the immune response. So, for example, if one type of immunotherapy is used to knock out an inhibitory signal produced by a cancer, and the tumor responds by upregulating a second signal, an additional therapy could then be used to target this one as well, Lu says.

"Our belief is that there is a need to develop much more specific, targeted immunotherapies that work locally at the tumor site, rather than trying to treat the entire body systemically," he says. "Secondly, we want to produce multiple immunotherapies from a single package, and therefore be able to stimulate the immune system in multiple different ways."

To do this, Lu and a team including MIT postdocs Lior Nissim and Ming-Ru Wu, have built a gene circuit encoded in DNA designed to distinguish cancer cells from noncancer cells.

The circuit, which can be customized to respond to different types of tumor, is based on the simple AND gates used in electronics. Such AND gates will only switch on a circuit when two inputs are present.

Cancer cells differ from normal cells in the profile of their gene expression. So the researchers developed synthetic promoters -- DNA sequences designed to initiate gene expression but only in cancer cells.

The circuit is delivered to cells in the affected area of the body using a virus. The synthetic promotors are then designed to bind to certain proteins that are active in tumor cells, causing the promoters to turn on.

"Only when two of these cancer promoters are activated, does the circuit itself switch on," Lu says.

This allows the circuit to target tumors more accurately than existing therapies, as it requires two cancer-specific signals to be present before it will respond.

Once activated, the circuit expresses proteins designed to direct the immune system to target the tumor cells, including surface T cell engagers, which direct T cells to kill the cells. The circuit also expresses a checkpoint inhibitor designed to lift the brakes on T cell activity.

When the researchers tested the circuit in vitro, they found that it was able to detect ovarian cancer cells from amongst other noncancerous ovarian cells and other cell types.

They then tested the circuit in mice implanted with ovarian cancer cells, and demonstrated that it could trigger T cells to seek out and kill the cancer cells without harming other cells around them.

Finally, the researchers showed that the circuit could be readily converted to target other cancer cells.

"We identified other promoters that were selective for breast cancer, and when these were encoded into the circuit, it would target breast cancer cells over other types of cell," Lu says.

Ultimately, they hope they will also be able to use the system to target other diseases, such as rheumatoid arthritis, inflammatory bowel disease, and other autoimmune diseases.

The researchers now plan to test the circuit more fully in a range of cancer models. They are also aiming to develop a delivery system for the circuit, which would be both flexible and simple to manufacture and use.

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Des chercheurs du MIT ont mis au point un circuit de gènes synthétiques qui permet au système immunitaire du corps d'attaquer les cancers lorsqu'il détecte des signes de la maladie.

Le circuit, qui n'active une réponse thérapeutique que lorsqu'il détecte deux marqueurs spécifiques du cancer, est décrit dans un article publié dans la revue Cell.

L'immunothérapie est largement considérée comme ayant un potentiel considérable dans la lutte contre une série de cancers. L'approche a été démontrée avec succès dans plusieurs essais cliniques récents, selon Timothy Lu, professeur agrégé de génie biologique et de génie électrique et informatique au MIT.

«De nombreuses données cliniques ont récemment suggéré que si vous pouvez stimuler le système immunitaire de la bonne façon, vous pouvez le faire reconnaître le cancer», explique Lu, qui dirige le groupe de biologie synthétique du Laboratoire de recherche en électronique du MIT. "Certains des meilleurs exemples de ce sont ce qu'on appelle les inhibiteurs de point de contrôle, où essentiellement les cancers mis en place des signes d'arrêt [qui empêchent] les cellules T de les tuer. Il y a des anticorps qui ont été développés maintenant pour bloquer ces signaux inhibiteurs et permettre la système immunitaire d'agir contre les cancers. "

Cependant, malgré ce succès, l'utilisation de l'immunothérapie reste limitée par la rareté des antigènes spécifiques de la tumeur - des substances qui peuvent déclencher une réponse du système immunitaire à un type particulier de cancer. La toxicité de certaines thérapies, lorsqu'elles sont administrées par voie générale à l'ensemble du corps, est un autre obstacle.

De plus, les traitements ne réussissent pas dans tous les cas. En effet, même dans certains des tests les plus réussis, seulement 30-40% des patients répondront à un traitement donné, dit Lu.

En conséquence, il y a maintenant une poussée pour développer des thérapies combinées, dans lesquelles des traitements différents mais complémentaires sont utilisés pour stimuler la réponse immunitaire. Ainsi, par exemple, si un type d'immunothérapie est utilisé pour éliminer un signal inhibiteur produit par un cancer et que la tumeur réagit en régulant à la hausse un second signal, une thérapie supplémentaire pourrait alors être utilisée pour cibler celui-ci, dit Lu.

"Notre conviction est qu'il est nécessaire de développer des immunothérapies beaucoup plus spécifiques et ciblées qui agissent localement sur le site de la tumeur, plutôt que d'essayer de traiter l'ensemble du corps par voie systémique", dit-il. "Deuxièmement, nous voulons produire plusieurs immunothérapies à partir d'une seule souche, et donc être capable de stimuler le système immunitaire de multiples façons différentes."

Pour ce faire, Lu et une équipe comprenant les post-docs du MIT, Lior Nissim et Ming-Ru Wu, ont construit un circuit génétique codé dans l'ADN, conçu pour distinguer les cellules cancéreuses des cellules non cancéreuses.

Le circuit, qui peut être personnalisé pour répondre à différents types de tumeurs, est basé sur les simples portes "ET" est utilisé en électronique. De telles portes "ET" n'activeront un circuit que lorsque les deux entrées sont présentes.

Les cellules cancéreuses diffèrent des cellules normales dans le profil de leur expression génique. Les chercheurs ont donc développé des promoteurs synthétiques - des séquences d'ADN conçues pour initier l'expression génique mais seulement dans les cellules cancéreuses.

Le circuit est délivré aux cellules dans la zone affectée du corps en utilisant un virus. Les promoteurs synthétiques sont ensuite conçus pour se lier à certaines protéines qui sont actives dans les cellules tumorales, provoquant l'activation des promoteurs.

"Ce n'est que lorsque deux de ces promoteurs de cancer sont activés, que le circuit lui-même s'allume", dit Lu.

Cela permet au circuit de cibler les tumeurs plus précisément que les thérapies existantes, car il nécessite deux signaux spécifiques au cancer avant de répondre.

Une fois activé, le circuit exprime des protéines conçues pour diriger le système immunitaire pour cibler les cellules tumorales, y compris les engageurs de cellules T de surface, qui dirigent les cellules T pour tuer les cellules. Le circuit exprime également un inhibiteur de point de contrôle conçu pour lever les freins sur l'activité des cellules T.

Lorsque les chercheurs ont testé le circuit in vitro, ils ont découvert qu'il était capable de détecter les cellules cancéreuses de l'ovaire parmi d'autres cellules ovariennes non cancéreuses et d'autres types de cellules.

Ils ont ensuite testé le circuit chez des souris implantées avec des cellules cancéreuses de l' , et ont démontré qu'il pouvait déclencher les lymphocytes T pour rechercher et tuer les cellules cancéreuses sans nuire aux autres cellules qui les entourent.

Enfin, les chercheurs ont montré que le circuit pouvait être facilement converti pour cibler d'autres cellules cancéreuses.

"Nous avons identifié d'autres promoteurs sélectifs pour le cancer du , et lorsque ceux-ci ont été codés dans le circuit, ils ciblent les cellules cancéreuses du sein par rapport à d'autres types de cellules", explique Lu.

En fin de compte, ils espèrent qu'ils seront également en mesure d'utiliser le système pour cibler d'autres maladies, telles que la polyarthrite rhumatoïde, la maladie inflammatoire de l'intestin et d'autres maladies auto-immunes.

Les chercheurs prévoient maintenant de tester le circuit plus complètement dans une gamme de modèles de cancer. Ils visent également à développer un système de livraison pour le circuit, qui serait à la fois flexible et simple à fabriquer et à utiliser.

Pour Jason Moffat, Boursier principal de l’ICRA, des années de recherche fondamentale ont mené à ce qu’il appelle « le rêve du généticien » — la capacité de fabriquer des anticorps synthétiques pour lutter contre les maladies, comme le cancer — et à une entreprise qui permet l’administration de ces médicaments aux patients.

Moffat et d’autres scientifiques ont fondé une nouvelle société canadienne de biotechnologie, Northern Biologics, grâce à l’octroi de 10 millions de dollars en fonds d’investissement d’un cabinet de capital de risque américain, Versant Ventures. La société mettra au point des médicaments contre le cancer et la fibrose.

Leur mine d’or se compose d’une collection de milliards d’anticorps synthétiques tous conçus pour identifier rapidement des fragments d’anticorps individuels que l’on peut développer plus à fond. Les anticorps sont des molécules naturelles fabriquées par l’organisme pour éliminer virus et infections. Les anticorps synthétiques sont synthétisés à partir de zéro en laboratoire à l’aide des règles de la nature, et il est aisé de les modifier, les copier et les produire en plus grande quantité pour en faire des agents biothérapeutiques. Comme les anticorps synthétiques imitent les anticorps naturels, ces agents biologiques sont moins susceptibles d’entraîner des effets secondaires toxiques que les chimiothérapies conventionnelles.

« On a démontré que les anticorps sont de très bons médicaments », explique Moffat, professeur à l’Université de Toronto et Boursier principal au sein du programme Réseaux génétiques de l’ICRA. « Les gens les acceptent maintenant, mais il y a dix ou quinze ans, non. » Les anticorps sont aujourd’hui parmi les médicaments qui se vendent le mieux au plan mondial.

Ces travaux sont issus d’années de recherche sur la science fondamentale de nos cellules. L’un des objectifs de Moffat est de cerner ce que l’on appelle l’ensemble de « gènes essentiels » chez l’humain. Ces gènes sont essentiels à la croissance et à la division cellulaire et font souvent l’objet d’une dérégulation en cas de maladie. Le cancer détourne des gènes essentiels à ses propres fins et provoque des mutations dans ces gènes ou d’autres pour entraîner une croissance cellulaire incontrôlée.

Les chercheurs au sein du laboratoire de Moffat cultivent des cellules dans des vases et observent leur croissance et leur division dans diverses conditions. Ils provoquent des mutations, et activent et désactivent des gènes pour découvrir la nature des gènes et des protéines essentiels à la prolifération d’un cancer donné. Ils se penchent ensuite sur la cible des anticorps — des protéines clés exprimées à la surface des cellules cancéreuses.

Grâce à des percées technologiques, les scientifiques peuvent créer des anticorps aptes à cibler ces protéines de surface et constituent des bibliothèques de milliards d’anticorps qu’ils mettent à l’essai et perfectionnent jusqu’à l’obtention de molécules capables de se fixer aux cellules atteintes et de les tuer. « Les anticorps sont intéressants, car ils peuvent agir directement sur les cellules atteintes, mais ils recrutent aussi le système immunitaire naturel pour lutter contre la maladie. En utilisant des anticorps pour traiter la maladie, nous en apprenons beaucoup sur la biologie fondamentale de l’être humain », dit Moffat.

Sachdev Sidhu, l’un des fondateurs de Northern Biologics, a constitué à l’aide de la technique de l’exposition sur phage la bibliothèque d’anticorps qu’utilisera la société pour fabriquer des médicaments. Sidhu, un invité aux rencontres du programme Réseaux génétiques de l’ICRA, travaille à l’Université de Toronto depuis 2008; il était auparavant chez Genentech, une société pharmaceutique. Il explique que la science est très similaire, mais le travail en milieu universitaire est différent.

« La grande différence ici c’est qu’il y a beaucoup plus de collaborations à l’extérieur du laboratoire et c’est un gros avantage », précise-t-il.

Cette collaboration entre Moffat, Sidhu et d’autres, y compris les collègues fondateurs de Northern Biologics Brad Wouters, Ben Neel et Rob Rottapel (tous du Princess Margaret Cancer Centre) s’est révélée essentielle pour transférer ces résultats scientifiques à l’industrie. Charles Boone et Brenda Andrews (Université de Toronto), Boursiers principaux de l’ICRA, ont collaboré à des travaux subventionnés par Génome Canada qui ont mené à la fondation du Toronto Recombinant Andibody Centre (TRAC), au Centre Donnelly de l’Université de Toronto, en 2010. Selon Andrews, le TRAC a permis aux scientifiques de tisser des liens avec des partenaires de l’industrie, et la biologie fondamentale à la base du TRAC et de Northern Biologics a tracé la trajectoire vers le monde des affaires.

« Voilà un bon exemple de la recherche fondamentale qui jette les assises essentielles d’applications pratiques », dit Andrews.

Moffat est du même avis et ajoute que grâce à de meilleures technologies il a été plus facile d’envisager dès le départ comment appliquer la science fondamentale. « La science ne se résume plus à réaliser une découverte et à la publier. Avec une bonne organisation, nous pouvons mener nombre de nos découvertes beaucoup plus loin. »
Northern Biologics donne de l’essor au secteur de la biotechnologie au Canada à un moment où les scientifiques disent que l’industrie délaisse les médicaments à petites molécules, comme la chimiothérapie, au profit des médicaments biologiques.

« Ils rationalisent un grand nombre de leurs initiatives de chimie thérapeutique, car bien franchement, la fabrication de médicaments à l’aide des méthodes conventionnelles est très lente, lourde et coûteuse », explique Moffat. La mise au point et la production de médicaments à petites molécules peuvent prendre vingt ans à réaliser par une équipe de chimistes, dit-il. Northern Biologics quant à elle prévoit commencer les essais cliniques de phase 1 dans quatre ans environ.

(Apr. 4, 2008) — Researchers at UT Southwestern Medical Center have developed a simple and inexpensive method to screen small synthetic molecules and pull out a handful that might treat cancer and other diseases less expensively than current methods.

Les chercheurs ot développé une méthode simple et peu dispendieuse pour trouver des molécules synthétiques qui pourrait traiter le cancer.

In one screen of more than 300,000 such molecules, called peptoids, the new technique quickly singled out five promising candidates that mimicked an antibody already on the market for treating cancer. One of the compounds blocked the growth of human tumors in a mouse model.

En cherchant parmi 300,000 de cs molécules, appelées peptoïdes, cette nouivelle technique a trouvé 5 cancdidats prometteurs qui imitent un anticorps déja sur le marché pour traiter le cancer. Une de ces molécules a bloqué la croissance des tumeurs chez la souris.

Antibodies are molecules produced by the body to help ward off infection. Natural and manmade antibodies work by latching onto very specific targets such as receptors on the surface of cells.

Les anticoprs sont des molécules produites par le corps pour aider à se débarasser des infections. Les anticoprs naturels et fabriquées par l'homme travaillent de la même façcon en s'attachant à un récepteur à la surface de la cellule.

"Many new drugs being made today are antibodies, but they are extremely expensive to make. Financially, the U.S. health care system is going to have a difficult time accommodating the next 500 drugs being antibodies," said Dr. Thomas Kodadek, chief of translational research at UT Southwestern and senior author of the study, which appears online and in an upcoming issue of the Journal of the American Chemical Society.

"Plusieurs nouveaux médicaments sont des anticorps mais ces médicaments sont très dispendieux. Le système de soin américain va avoir de la difficulté financièrement étant donné que les 500 prochains médicaments seront probablements des anticorps." dit Kodadeck.

"Our results show that a peptoid can attack a harmful receptor in the body with the same precision as an antibody, but would cost much less to develop," said Dr. Kodadek.

"Nos résultats montrent qu'un peptoïde peut attaquer un récepteur dans le corps avec la même précision qu'un anticorps mais coute beaucoup moins à développer."

Peptoids are designed in the laboratory to resemble chains of natural molecules called peptides. Some peptides are used as medications, such as insulin or antibodies used to treat some cancers, but because the stomach digests them, most can't be taken by mouth and must be injected.

By contrast, peptoids are resistant to the stomach enzymes that degrade natural peptides, so it is possible that they could be swallowed as a pill. Peptoids are much less expensive and easier to manufacture than antibodies, Dr. Kodadek said. They are also much smaller than antibodies, so they might be better at penetrating tumors or other disease sites, he said.

"Our technique is simple and fast, works with existing chemicals and needs no high-tech instrumentation, except for a microscope to detect the fluorescent colors we use to sort the compounds," said Dr. D. Gomika Udugamasooriya, postdoctoral researcher in internal medicine and lead author of the study.

The new technique also has major advantages over traditional screening techniques that are commonly used to discover biologically active compounds from large collections. These screens, which require extensive automation, generally cost $40,000 or more; the new method can be conducted for less than $1,000.

The researchers screened about 300,000 peptoids to see which ones would interact with VEGFR2, a type of molecule on the surface of human cells. VEGFR2 is essential in creating new blood vessels through interaction with the hormone VEGF, which is normally a helpful process but is harmful to the body when the new blood vessels are nourishing a growing tumor.

A commercially produced antibody is used to treat some cancers by blocking the VEGF-VEGFR2 interaction and thus starving the tumor, but it costs a patient about $20,000 a year, Dr. Kodadek said.

Un anticorps est déja utilis.é pour traité certains cancers par les molécules VEGF et VEGFR-2 en affamant la tumeur mais cela coûte $20,000 par patient pour une année.

The new screening technology involves hundreds of thousands of peptoids, bound to tiny plastic beads. In the study, the cells with VEGFR2 were labeled to fluoresce red and those lacking VEGFR2 were labeled to fluoresce green. After exposing the beads to the mixture of cells, the beads were examined under a fluorescent microscope. Those bound to red cells -- the ones with VEGFR2 -- were collected.

This screen, which took a couple of days, isolated five peptoids out of approximately 300,000 screened, showing that the process was an effective way to quickly narrow down a search, Dr. Kodadek said.

The researchers further tested one of the five peptoids that bound most tightly to VEGFR2 and found that it blocked VEGFR2's action in cultured cells. When they gave it in low doses to mice with implanted human bone- and soft-tissue cancer, the peptoid slowed the growth of the tumors and reduced the density of blood vessels leading to them.

Les chercheurs ont testé 1 des 5 peptoïdes qui s'est lié serré avec le vegfr-2 et a trouvé qu'il a bloqué l'action de vegfr2 en culture de cellules. Et quand ils l'ont donné en petites doses à des souris avec un cancer des os et des tissus mous, le peptoïde a ralentit la progression des tumeurs et a réduit la densité des vaisseaux sanguins qui nourrissent les tumeurs.

"This new technique of rapidly isolating biologically active peptoids offers a way to hasten the drug-discovery process and may ultimately benefit patients by providing them with new therapies at a fraction of the cost of current drugs," Dr. Kodadek said.