Взаимодействие между Т-клетками и антигенами запускает иммунный ответ с каскадом сигналов внутри Т-клетки. Процесс включает в себя сложную хореографию рецепторных белков и их лигандов на поверхности Т-клетки и антигенпрезентирующей клетки (APC) или вблизи них.Группа исследователей под руководством специалиста по прикладной физике из Колумбийского университета Шалома Дж. Винда и биолога из Оксфордского университета и Медицинского центра Нью-Йоркского университета в Лангоне Майклом Л. Дастином обнаружила геометрическую основу срабатывания Т-лимфоцитов с помощью точной инженерии геометрии Т-клеточных рецепторов. во всех трех измерениях.
Они использовали нанотехнологии для создания биомиметической поверхности, которая имитирует ключевые особенности APC. На этой поверхности представлены лиганды Т-клеточного рецептора (молекулы, которые связываются с рецепторами на поверхности Т-клетки и стимулируют их) в различных геометрических формах, с разными интервалами между лигандами, расположенными в кластерах разного размера. Результаты опубликованы сегодня в журнале Nature Nanotechnology.
«Наши результаты могут оказать существенное влияние на сферу адоптивной иммунотерапии, которая в последнее время добилась значительных успехов в лечении некоторых видов рака», — говорит Винд. «Наш наноинженерный подход позволил нам с беспрецедентной точностью и контролем исследовать роль, которую геометрия играет в запуске Т-лимфоцитов. Мы очень заинтересовались определением того, насколько важно геометрическое расположение молекул на ранних этапах стимуляции Т-лимфоцитов, потому что это может дать новое понимание этого процесса и может даже предложить новый способ контроля активации Т-клеток ».
Новым достижением в области нанотехнологических биомиметических поверхностей, которое стало ключевым в опубликованном сегодня исследовании, стала разработка способа размещения лигандов на «нанопедесталах» на поверхности, эффективно контролируя расстояние между Т-клеткой и APC, в то время как в то же время контролируя расстояние между отдельными лигандами. Они также разработали методику введения других молекул, которые играют важную роль во взаимодействии Т-клеток / APC, и позволили им связываться друг с другом.Комбинация этих нововведений — точный геометрический контроль положения лиганда вместе с размещением лигандов на нанопедесталах и возможностью дополнительных молекул играть свою обычную роль — привела к поразительному открытию: резкому увеличению запуска Т-лимфоцитов, когда лиганд интервал упал ниже 50 нм. Но этот порог появился только тогда, когда Т-клетка была отделена от поверхности (или поверхности APC) примерно на 23 нм с помощью нанопедесталов.
Исследователи показали, что это было результатом пространственных аспектов CD45, белка, физиологическая роль которого заключается в подавлении активации рецепторов Т-клеток. Если Т-лимфоциты и APC расположены очень близко друг к другу, то CD45, представляющий собой «большую» молекулу, «выдавливается» из области, позволяя активации Т-клеточного рецептора продолжаться. Имея дополнительное пространство между клетками, CD45 может предотвратить это — если только лиганды Т-клеточного рецептора не расположены слишком близко друг к другу (менее 50 нм), и в этом случае латеральное расстояние частично вытесняет CD45.
Роль исключения CD45 из Т-клеточного рецептора была горячей темой среди исследователей иммунологии: некоторые считают, что это абсолютное требование для запуска рецептора, в то время как другие говорят, что это играет лишь частичную роль. «В нашем исследовании мы смогли не только наблюдать пространственный порог, который показывает, что исключение CD45 важно, но также увидеть, что запуск может происходить даже тогда, когда CD45 не полностью отделен от области рецептора Т-клеток, пока расстояние между ними невелико », — говорит Дастин, профессор Института ревматологии Кеннеди. «Это не только проливает свет на вопрос исключения CD45, но и предполагает функциональную роль упаковки рецепторов Т-клеток при близких размерах».Этот междисциплинарный проект объединил обработку полупроводниковых устройств с клеточной биологией, химией поверхности и биохимией. Команда из Колумбийского университета, в которую входил Майкл Шитц, в том числе Майкл Шитц, заслуженный профессор биологических наук и биомедицинской инженерии и директор Института механобиологии Сингапура, объединила свои знания, взяв инструменты и методы, первоначально разработанные полупроводниковой промышленностью для изготовления транзисторов и адаптируя их для решения важных вопросов клеточной биологии.
Команда работает над определением геометрии клеток уже почти 15 лет. Они используют литографический рисунок, осаждение тонких пленок и травление для создания «чипов», которые строятся на предметных стеклах микроскопа, а не на кремниевых пластинах.
Используя средства, доступные в рамках Columbia Nano Initiative, они смогли создать произвольные образцы отдельных белков (намного меньших, чем даже самые передовые транзисторные элементы), с точным контролем местоположения каждого белка.Дастин отметил: «Это было отличное сотрудничество, поскольку биологи изо всех сил пытались найти способы точно контролировать пространство между клетками. Инженеры Колумбийского университета разработали метод, позволяющий эффективно« поднять »живые Т-клетки на 10 нм над биомиметической поверхностью, разработанной исследователем. Команда Нью-Йоркского университета / Оксфорда.
Эти элементы объединились, чтобы решить фундаментальный вопрос, имеющий отношение к иммунотерапии ».Полученные сегодня результаты могут иметь важное применение в адоптивной иммунотерапии и, возможно, за ее пределами.
Обладая конкретным знанием геометрических параметров, лежащих в основе срабатывания Т-клеточных рецепторов, исследователи могут улучшить некоторые методы лечения, например, путем разработки новых химерных антигенных рецепторов (которые являются основой для CAR Т-клеточной терапии) с определенными геометрическими характеристиками, которые оптимизируют терапевтические результаты. . Нанофабрикаты поверхности, подобные тем, которые используются в этой работе, также могут быть использованы для улучшения как экспансии Т-клеток, так и активации вне организма, возможно, увеличивая эффективность этого типа иммунотерапии и сокращая время лечения.«Это действительно умная работа», — говорит Карл С. Джун, профессор иммунотерапии в Медицинской школе Перельмана Университета Пенсильвании и пионер адаптивной терапии с переносом Т-клеток, который не принимал участия в исследовании. «Прямые доказательства нелинейной роли, которую играет в плоскости мембраны и за ее пределами в запуске TCR (Т-клеточного рецептора), довольно новы и имеют значение для конструкции CAR Т-клеток. Этот подход может направлять развитие CAR, которые будут лучше различать опухолевые клетки и нормальные клетки с более низкой плотностью мишени ».Шитц добавляет: «Эта технология может играть гораздо более важную роль в решении общей проблемы, связанной с тем, как расстояние между клетками, а также между клетками и субстратами может влиять на процессы передачи сигналов».
«Помимо иммунотерапии, — отмечает Винд, — эта работа показывает, как мощь технологии изготовления транзисторов может быть применена к проблемам биомедицины. Следование по этому пути обещает привести к более захватывающим разработкам в будущем».