Een verbijsterende vraag in de immunologie was:hoe onthouden immuuncellen een infectie of een vaccinatie zodat ze decennia later in actie kunnen komen? Onderzoek geleid door wetenschappers van de Universiteit van Californië, Berkeley, in samenwerking met onderzoekers van Emory University, heeft een antwoord gevonden:een kleine pool van dezelfde immuuncellen die reageerden op de oorspronkelijke invasie, blijft jarenlang in leven, unieke eigenschappen ontwikkelen die ervoor zorgen dat ze geprimed blijven en wachten tot dezelfde microbe het lichaam opnieuw binnendringt.

Voorafgaand aan deze studie, wetenschappers wisten niet zeker hoe cellen een infectie tot 30 jaar eerder kunnen onthouden. Om dit mysterie te ontrafelen, het onderzoeksteam volgde in de weken een specifiek soort immuuncel door het menselijk lichaam, maanden en jaren na een vaccinatie die langdurige bescherming geeft.

De onderzoekers volgden T-cellen in het lichaam van mensen nadat ze het langdurige vaccin tegen het gele koortsvirus hadden gekregen, met behulp van een in Berkeley ontwikkelde technologie voor het gedurende lange tijd volgen van de geboorte en dood van cellen bij mensen. De onderzoekers ontdekten dat CD8+ T-cellen, verantwoordelijk voor langdurige immuniteit tegen gele koorts, zich snel vermenigvuldigen bij blootstelling aan het vaccin, maar vervolgens evolueren, beginnend ongeveer vier weken na de vaccinatie, in een "geheugenpool" van cellen die meer dan 10 keer langer leven dan de gemiddelde T-cel.

"Dit werk ging in op fundamentele vragen over de oorsprong en levensduur van CD8+ T-cellen in het menselijk geheugen, gegenereerd na een acute infectie, " zei Marc Hellerstein, senior co-auteur en hoogleraar voedingswetenschap en toxicologie aan UC Berkeley. "Het begrijpen van de basis van een effectief immuungeheugen op lange termijn kan wetenschappers helpen betere vaccins te ontwikkelen, verschillen tussen ziekten te begrijpen en de kwaliteit van de immuunresponsen van een individuele persoon te diagnosticeren."

De studie wordt op 13 december gepubliceerd in het tijdschrift Natuur . Het werk werd ondersteund door subsidies van de National Institutes of Health.

Wanneer iemand een vaccin krijgt of wordt blootgesteld aan een nieuw infectieus agens, cellen die de indringer herkennen maar nooit eerder in actie zijn gekomen - naïeve cellen genoemd - reageren door zich als een gek te delen en infectiebestrijdende functies te ontwikkelen. Hierdoor ontstaat een grote pool van zogenaamde geheugencellen, genoemd naar hun vermogen om het specifieke infectieuze agens te onthouden en effectief te reageren op herhaalde bedreigingen later. Overuren, de grote pool krimpt tot een klein aantal langetermijngeheugencellen, die zijn voorbereid om late bescherming te bieden. Maar wetenschappers hebben gedebatteerd over hoe deze geheugencellen zo lang na de eerste blootstelling worden onderhouden en klaar zijn om toe te slaan.

Uit deze studie bleek dat een manier waarop het zwembad jarenlang na vaccinatie behouden blijft, is door de ontwikkeling van verschillende unieke kenmerken. Aan de oppervlakte en door de acties van hun genen, ze zien eruit als cellen die nog nooit zijn blootgesteld aan een infectie, maar op hun DNA vonden de onderzoekers een vingerafdruk, een methyleringspatroon genoemd, die hen identificeert als een cel die de strijd heeft doorgemaakt als infectiebestrijdende cel, die effectorcellen worden genoemd.

"Deze cellen zijn als ervaren soldaten, kampeerden in het bloed en weefsels waar ze hun strijd voeren, wachten tot gele koorts opduikt, "zei Hellerstein. "Ze rusten rustig en ze dragen de kleding van ongeteste nieuwe rekruten, maar ze zijn diep ervaren, klaar om in actie te komen en klaar om wild uit te breiden en agressief aan te vallen als indringers terugkeren."

Voor de studie, Hellerstein paste een techniek toe die hij in de jaren negentig voor zijn hiv/aids-onderzoek ontwikkelde en sindsdien op grote schaal heeft gebruikt om de geboorte en dood van cellen in het menselijk lichaam te volgen. Het onderzoeksteam liet proefpersonen kleine hoeveelheden water drinken met deuterium in plaats van waterstof. Deuterium is niet giftig, maar het is iets zwaarder dan waterstof, zodat wetenschappers het kunnen volgen met massaspectrometrie wanneer het wordt opgenomen in nieuw gerepliceerd DNA in de lichaamscellen, die alleen optreedt tijdens celdeling. Met behulp van deze methode, wetenschappers kunnen leren of een pool van cellen nieuw of oud is, omdat pasgeboren cellen deuterium in hun DNA zullen hebben. Wetenschappers of clinici die de cellen in de loop van de tijd volgen, zullen zien dat de deuteriumspiegels in kortlevende cellen worden verdund nadat de patiënten weer normaal water gaan drinken, terwijl de deuteriumspiegels in langlevende cellen hoog zullen blijven. In de nieuwe studie mensen dronken het deuteriumwater op verschillende tijdstippen na ontvangst van het levende gelekoortsvirusvaccin en onderzoekers isoleerden T-cellen van de patiënten, analyseerde vervolgens hun deuteriumgehalte.

Gelekoortsvirus is geen bedreiging in de Verenigde Staten, wat betekent dat alle onderwerpen niet eerder waren blootgesteld en niet zouden worden blootgesteld na de tagging-periode, waardoor het vaccin ideaal is om te bestuderen wat er gedurende een lange periode met nieuw gegenereerde cellen gebeurt, when there is no longer any infectious agent to fight.

After a first acute exposure to an infectious agent or vaccine, the body has an initial phase with lots of short-lived infection fighting soldiers, called effector-memory cells. Then after the threat is cleared, effector cells go away and small numbers of long-term memory cells are present. One of the central questions in immunology was whether the long-term memory cells went through an effector stage or went on a separate pathway of their own. The research team found that that a subset of the effector-memory pool that had divided extensively during the first two weeks after vaccination stayed alive as long-term memory cells, dividing less frequently than once every year.

The extremely long life-span of the surviving memory cells allows them to specialize over time into a unique, previously unrecognized type of T cell. The long-term memory cells have some molecular markers that make them look like naive cells that have never activated, including a gene expression profile that looks like that in naive cells, yet have other molecular markers on their DNA of having gone through battle as effector cells.

"These results make it clear that true long-term memory cells were once effector cells that have become quiescent, " Hellerstein said. "This apparently keeps them poised to respond rapidly as new effector cells upon re-exposure to the pathogen."

The research team calculated that the half-life of these long-term memory cells is 450 days, compared to a half-life of about 30 days for the average memory T cell in the body, during which they are in general repeatedly exposed to common antigens in the environment. So when the memory pool goes quiet, these unique cells retain a fingerprint stemming back to the original exposure, and remain primed to respond rapidly if there is re-exposure to the pathogen.

"The combination of molecular evidence of a unique life history with direct measurement of their long life span is what gives this study such power, " Hellerstein said. "The technology to measure the dynamics of the birth and death of cells and advances allowing it to be applied to very small numbers of cells let this study happen."