Новое устройство позволяет учёным наблюдать за коммуникацией иммунных клеток

Иммунная система — это сложная сеть различных клеток, работающих вместе для защиты от вторжений. Успешная борьба с инфекцией зависит от взаимодействий между этими клетками.

Новое устройство, разработанное инженерами MIT, даёт гораздо более детальную картину этой клеточной коммуникации. Оно захватывает пары клеток и собирает данные о каждой из них во время их взаимодействия. С его помощью исследователи уже узнали больше о том, как Т-клетки — ключевые игроки иммунного ответа — активируются во время инфекции.

Устройство основано на микрофлюидной технологии, разработанной профессором MIT Джоэлом Вольдманом в 2009 году. Его команда использовала раннюю версию для слияния взрослых клеток с эмбриональными стволовыми клетками, что позволило наблюдать за генетическим репрограммированием в этих гибридах.

После этого исследования с Вольдманом связались иммунологи, чтобы адаптировать устройство для изучения иммунных клеток. «Многое в иммунной системе — это общение клеток друг с другом посредством контакта», — говорит Вольдман, один из старших авторов статьи, описывающей новое устройство в выпуске Nature Communications от 13 января.

Вольдман и Бурак Дура, ведущий автор статьи и аспирант, потратили несколько лет на перепроектирование устройства, чтобы оно работало с иммунными клетками, которые значительно меньше клеток, анализируемых в 2009 году. Хидде Плоэг, профессор биологии MIT и член Института биомедицинских исследований Уайтхеда, также является старшим автором статьи.

Контролируемый контакт

До сих пор наиболее распространённым способом измерения взаимодействий между двумя типами клеток было смешивание их в пробирке и наблюдение. Однако этот подход имеет ограниченную полезность, потому что нет гарантии, что каждая клетка взаимодействует только с одной другой.

«Вся эта неконтролируемость затрудняет интерпретацию полученных результатов», — говорит Вольдман.

В отличие от этого, устройство Вольдмана позволяет полностью контролировать образование пар клеток. Устройство состоит из чипа с ловушками для клеток, расположенными так, чтобы захватывать и объединять их в пары. Сначала клетки типа A пропускаются через чип в одном направлении и захватываются в одиночные ловушки. Затем поток жидкости меняется на противоположный, затягивая клетки A в более крупные ловушки, расположенные напротив одиночных. Когда каждая клетка A оказывается в большой ловушке, пропускаются клетки B, и каждая из них присоединяется к клетке A в большой ловушке.

Эта техника позволяет исследователям отслеживать сотни пар клеток с течением времени и наблюдать за происходящим в каждой клетке, что ранее было невозможно. Она также позволяет точно контролировать время клеточных взаимодействий.

«Мы знаем точное время контакта и можем удерживать их в контакте, пока они находятся в ловушках», — говорит Дура. «Это позволяет нам не только измерять параметры отдельных клеток, но и проводить измерения двух клеток вместе и коррелировать их ответы друг с другом».

В новой версии устройства исследователи добавили высокоточную визуализацию, позволяющую видеть колебания уровня кальция в клетках и активацию сигнального пути с участием фосфорилирования белков.

«Это очень элегантный способ проведения таких экспериментов», — говорит Ханг Лу, профессор химической и биомолекулярной инженерии Технологического института Джорджии, не участвовавший в исследовании. «Всё очень хорошо контролируется, вы точно знаете, где искать клетки, и это делает их визуализацию чрезвычайно эффективной и высокопроизводительной».

Запуск иммунного ответа

В статье в Nature Communications Дура совместно с Стефани Доуган, бывшим постдоком в Институте Уайтхеда, изучал взаимодействие между Т-клетками и B-клетками, которое является ключевым для запуска иммунного ответа. Когда B-клетки сталкиваются с вирусами или бактериями, они поглощают их и демонстрируют на своей поверхности фрагменты вирусных или бактериальных белков (известные как антигены). Когда эти B-клетки встречают Т-клетки с рецепторами, распознающими антиген, Т-клетки активируются, заставляя их выделять цитокины (воспалительные химические вещества, контролирующие иммунный ответ) или находить и уничтожать инфицированные клетки.

Хотя все Т-клетки в этом исследовании имели идентичные Т-клеточные рецепторы, команда MIT обнаружила, что они не все одинаково реагируют после встречи с B-клетками, несущими идентичные антигены на своей поверхности.

Используя визуализацию кальция для измерения активации Т-клеток, исследователи обнаружили, что начальный уровень активации зависит от количества представленного антигена. При высоких уровнях большинство клеток реагируют одинаково. Однако при более низких уровнях антигена ответы Т-клеток сильно различаются. Эти различия также коррелировали с различиями в выработке цитокинов Т-клетками.

В будущих исследованиях учёные надеются подробнее проследить, как Т-клетки проходят процесс принятия решений, определяющий их конечную судьбу. Они также планируют исследовать другие типы взаимодействий — например, как иммунные клетки, называемые естественными киллерами, распознают и уничтожают раковые клетки.