Новое наноустройство обнаруживает сигналы клеток иммунной системы
Учёные обнаружили ранее незамеченные химические сигналы, с помощью которых отдельные клетки иммунной системы общаются друг с другом на коротких расстояниях.
Обнаруженные сигналы исходили от дендритных клеток — стражей иммунной системы, которые первыми обнаруживают микроскопических захватчиков, — и принимались соседними Т-клетками, играющими ряд ключевых ролей, включая координацию атак на возбудителей болезней.
Химические сигналы при прямом контакте клеток изучены хорошо. Но обнаружить химические сообщения, передаваемые между близко расположенными, но не контактирующими клетками (паракринные сигналы), было невозможно из-за их высокой локализации и концентраций ниже уровня обнаружения. Для демонстрации существования такого бесконтактного сигнализирования потребовалась новая технология — мультиловушечный нанофизиометр (multi-trap nanophysiometer, MTN). Это одно из первых микрофлюидных устройств, успешно применённых для изучения межклеточной коммуникации в иммунной системе.
Подробное описание MTN и то, как он позволил случайно открыть паракринную сигнализацию, опубликовано в журнале Lab on a Chip. Устройство разработала команда под руководством Джона П. Виксво из Института интегративных биосистемных исследований и образования Вандербильта.
«Это важный шаг вперёд и потенциально очень полезная технология», — говорит соавтор Дерья Унутмаз. «Способность изучать поведение одиночных клеток может быть не столь критична для сердца или мышц, но она ключевая для понимания работы иммунной системы».
Это связано с тем, что дендритные клетки, Т- и В-клетки функционируют как отдельные, несвязанные клетки. Если дендритные клетки обнаруживают захватчиков, они мигрируют в лимфоузлы, чтобы найти нужные Т-клетки. Но как именно они привлекают правильные Т-клетки среди миллионов других в лимфоузле, остаётся иммунологической загадкой.
MTN — первая система, способная длительно отслеживать биохимические изменения в большом количестве нормальных (первичных) клеток на уровне одной клетки.
Как работает устройство:
- Состоит из каналов размером с волос, отлитых в специальном пластике.
- Миниатюрный насос прокачивает питательную среду через камеру с сотнями крошечных трёхсторонних ловушек, способных удерживать отдельные клетки.
- Клетки удерживаются на месте потоком жидкости, вытекающим через ещё меньшие отверстия в дне ловушек.
- Точный контроль скорости потока позволяет поддерживать жизнь нормальных клеток более 24 часов.
- Клетки наблюдают с помощью цифровой камеры на микроскопе (снимки каждые 30 секунд).
- Специальное ПО анализирует движения и реакции отдельных клеток.
- Для визуализации реакций (например, активации Т-клеток, при которой повышается концентрация ионов кальция в цитоплазме) в клетки вводят флуоресцентные красители.
Случайное открытие:
Аспирантка Шэннон Фэйли заполнила камеру MTN наивными Т-клетками человека, а затем добавила зрелые дендритные клетки. Она искала признаки активации Т-клеток при их прямом контакте с дендритными клетками в одной ловушке.
Она увидела ожидаемую реакцию, но также заметила неожиданное: некоторые Т-клетки в ловушках ниже по потоку от тех, где были дендритные клетки (и которые никогда с ними не контактировали), тоже «загорались».
«Моя реакция, когда я их увидела, была: "Что, чёрт возьми, происходит?"» — говорит Фэйли.
Тогда она провела остроумный эксперимент: заполнила одну камеру дендритными клетками, а вторую — Т-клетками и соединила их последовательно. Т-клетки во второй камере немедленно начали активироваться, что доказало: зрелые дендритные клетки выделяют химический фактор, активирующий наивные Т-клетки без прямого контакта.
«На данный момент мы не знаем, что это за фактор и какова его функция», — говорит Фэйли.
По словам Унутмаза, логичной функцией такого сигнала могло бы быть привлечение Т-клеток к дендритным клеткам, у которых есть важная информация. Это предположение усиливается наблюдением, что незрелые дендритные клетки не производят этот фактор, а зрелые иммуногенные дендритные клетки (встретившие патоген или сигнал опасности) — производят.
Почему это не обнаружили раньше?
Когда Фэйли попыталась воспроизвести результат стандартными иммунологическими методами (культивирование в чашке), результат был отрицательным. Стандартная практика требует низкой плотности клеток, чтобы они не отравляли друг друга и не умирали от нехватки пищи при ежедневной смене среды.
«Это представляет собой коэффициент разбавления в 100 раз по сравнению с нанофизиометром, — объясняет Виксво. — Так что фактор, производимый дендритными клетками, был слишком разбавлен, чтобы активировать Т-клетки».
Только когда Фэйли повторила стандартный тест с плотностью клеток в 10 раз выше обычной, ей удалось добиться активации Т-клеток.
«В этом одно из преимуществ нанофизиометра: он удерживает клетки в чрезвычайно малых объёмах, которые гораздо ближе к тем, что они испытывают в организме, и использует медленный поток жидкости, чтобы поддерживать их жизнь», — говорит Виксво.
Перспективы применения:
Эта способность важна не только для понимания работы иммунной системы, но и для выяснения причин её сбоев, как при раке или ВИЧ/СПИДе.
«Возможность наблюдать за сигнализацией между раковыми клетками и клетками иммунной системы чрезвычайно мощна», — говорит Дана Маршалл. «Согласно данным, иммунная система пытается подавить опухолевые клетки, но ей это не удаётся. Непонятно, почему она терпит неудачу. Если мы сможем это выяснить, то сможем разработать более эффективные методы лечения».
Кроме того, MTN может предоставить лучший способ подбора наиболее эффективной химиотерапии для каждого пациента. Клеток из стандартной биопсии достаточно, чтобы заполнить одну камеру опухолевыми клетками, а вторую — клетками иммунной системы пациента, подвергнуть их действию разных химиопрепаратов и посмотреть на реакцию.
«Часто, когда терапия терпит неудачу, опухоль сначала реагирует на лечение, а затем перестаёт. Этот подход может помочь нам понять, почему это происходит», — говорит Маршалл.
Источник: Университет Вандербильта.