Geometri er nøglen til T-celle-udløsning

T-celler beskytter kroppen mod fremmede stoffer (kendt som antigener) og er en væsentlig bestanddel af kroppens immunsystem. Nye immunterapier, der bruger en patients egne T-celler til at behandle sygdom, har allerede vist sig slående effektive til behandling af nogle kræftformer, og kræftforskere rundt om i verden kæmper for at forbedre disse behandlinger og anvende dem mere bredt.

Engagementet mellem T-celler og antigener sætter immunresponset i gang, med kaskade af signaler i T-cellen. Processen involverer en indviklet koreografi af receptorproteiner og deres ligander ved eller nær overfladen af ​​T-cellen og den antigen-præsenterende celle (APC).

Et team af forskere, ledet af Columbia Engineering Applied Physicist Shalom J. Wind og Oxford University og NYU-Langone Medical Center-biolog Michael L. Dustin, har afsløret den geometriske underbygning af T-celle-udløsning gennem den præcise konstruktion af T-celle-receptorgeometri i alle tre dimensioner. De brugte nanofabrikation til at skabe en biomimetisk overflade, der simulerer nøglefunktionerne i APC. Denne overflade præsenterer T-cellereceptorligander (molekyler, der binder til og stimulerer receptorer på overfladen af ​​T-cellen) i en række forskellige geometriske arrangementer, med forskellige inter-ligandafstande arrangeret i klynger af varierende størrelse. Resultaterne er offentliggjort online i dag i Natur nanoteknologi .

"Vores resultater kan have en betydelig indflydelse på området for adoptiv immunterapi, som for nylig har haft bemærkelsesværdig succes med at behandle visse kræftformer, " siger Wind. "Vores nanoteknologiske tilgang har givet os mulighed for at undersøge den rolle, geometri spiller i T-celle-udløsning med hidtil uset præcision og kontrol. Vi blev meget interesserede i at bestemme, hvor vigtigt det geometriske arrangement af molekyler er for de tidlige trin i T-celle stimulering, fordi dette kunne give ny indsigt i denne proces og måske endda tilbyde en ny måde at kontrollere T-celleaktivering på."

Det nye fremskridt inden for holdets nanofabrikerede biomimetiske overflader, som var nøglen til undersøgelsen offentliggjort i dag, var udviklingen af ​​en måde at placere liganderne på "nanopedestals" på overfladen, effektivt at kontrollere afstanden mellem T-cellen og APC'en, samtidig med at afstanden mellem de enkelte ligander kontrolleres. De udtænkte også en teknik til at introducere andre molekyler, der spiller en vigtig rolle i T-celle/APC-engagementet og tillod dem at binde sig til hinanden.

Kombinationen af ​​disse innovationer - den præcise geometriske kontrol af ligandpositionen sammen med placeringen af ​​liganderne på nanopedestalerne og sætter de yderligere molekyler i stand til at spille deres sædvanlige rolle - førte til en slående opdagelse:en kraftig stigning i T-celler, der udløses, når ligandafstanden faldt under 50 nm. Men denne tærskel viste sig kun, når T-cellen blev adskilt fra overfladen (eller APC-overfladen) med omkring 23 nm, ved hjælp af nanopedestals. Forskerne viste, at dette var et resultat, der stammede fra de rumlige aspekter af CD45, et protein, hvis fysiologiske rolle er at hæmme T-celle-receptoraktivering. Hvis T-cellen og APC er meget tæt på hinanden, derefter CD45, som er et "stort" molekyle, er "presset ud" af området, tillader T-celle-receptoraktivering at fortsætte. Med lidt ekstra plads mellem cellerne, CD45 kan forhindre dette, medmindre T-cellereceptorliganderne er for tæt på hinanden (mindre end 50 nm), i så fald den laterale afstand klemmer CD45 delvist ud.

Rollen af ​​udelukkelse af CD45 fra T-cellereceptoren har været et varmt emne blandt immunologiforskere:nogle mener, at det er et absolut krav for receptorudløsning, mens andre siger, at det kun spiller en delvis rolle. "I vores undersøgelse, vi var ikke kun i stand til at observere en rumlig tærskel, der viser, at CD45-udelukkelse er vigtig, men også for at se, at udløsning kan finde sted, selv når CD45 ikke er fuldstændigt adskilt fra T-cellereceptorområdet, så længe afstanden er lille, " siger Dustin, som er professor ved Kennedy Institute of Rheumatology. "Dette kaster ikke kun vigtigt lys over spørgsmålet om CD45-udelukkelse, men det antyder en funktionel rolle for T-celle-receptorpakning ved tætte dimensioner."

Dette meget tværfaglige projekt kombinerede halvlederenhedsbehandling med cellulær biologi, overfladekemi, og biokemi. Columbia-holdet, som inkluderede Michael Sheetz, som inkluderede Michael Sheetz, Emeritus professor i biologiske videnskaber og biomedicinsk teknik og direktør for Mechanobiology Institute of Singapore, kombineret deres ekspertise, tage de værktøjer og teknikker, der oprindeligt er udviklet af halvlederindustrien til at fremstille transistorer og tilpasse dem til at løse vigtige spørgsmål inden for cellebiologi. Holdet har samarbejdet om cellulær geometriføling i næsten 15 år. De bruger litografisk mønster, tynd film aflejring, og ætsning for at skabe "chips", der er bygget på mikroskopobjektglas, frem for siliciumwafers. Ved at bruge de faciliteter, der er tilgængelige som en del af Columbia Nano Initiative, de har været i stand til at skabe vilkårlige mønstre af individuelle proteiner (langt mindre end selv de mest avancerede transistorelementer), med præcis kontrol over placeringen af ​​hvert eneste protein.

Dustin bemærkede, "Dette var et fantastisk samarbejde, som biologer har kæmpet med måder at præcist kontrollere rummet mellem celler. Columbia-ingeniørerne udviklede en metode til effektivt at 'jack up' den levende T-celle med 10 nm over en biomimetisk overflade udviklet af NYU/Oxford-teamet. Disse elementer kom sammen for at løse et grundlæggende spørgsmål om relevans for immunterapi."

Resultaterne rapporteret i dag kan have vigtige anvendelser inden for adoptiv immunterapi og muligvis videre. Med den specifikke viden om de geometriske parametre, der ligger til grund for T-celle-receptor-udløsning, forskere kunne forbedre nogle terapier ved at for eksempel, design af nye kimære antigenreceptorer (der er grundlaget for CAR T-celleterapi) med specifikke geometriske funktioner, der optimerer terapeutiske resultater. Nanofabrikerede overflader som dem, der bruges i dette arbejde, kan også bruges til at forbedre både T-celleudvidelse og aktivering uden for kroppen, muligvis øge effektiviteten af ​​denne type immunterapi og forkorte behandlingstiden.

"Dette arbejde er virkelig smart, " siger Carl S. June, en professor i immunterapi ved Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania, og en pioner inden for adoptiv T-celleoverførselsterapi, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Den direkte evidens for en ikke-lineær rolle, der spilles ind og ud af membranens plan i TCR (T-celle receptor) triggering er ganske ny og har implikationer på design af CAR T celler. Denne tilgang kan guide udviklingen af CAR'er, der ville have bedre skelnen mellem tumorceller og normale celler, der har lavere måltætheder."

Sheetz tilføjer, "Denne teknologi kan have en meget større rolle i at løse det generelle spørgsmål om, hvordan afstanden mellem celler såvel som mellem celler og substrater kan påvirke signaleringsprocesser."

"Ud over vores fokus på immunterapi, "Vind noter, "Dette arbejde viser, hvordan kraften i transistorfremstillingsteknologi kan anvendes på problemer inden for biomedicin. At følge denne vej lover at føre til mere spændende udvikling i fremtiden."