De geheimen van een cel kunnen worden onthuld door het oppervlak, versierd met tien- tot honderdduizenden moleculen die immuuncellen helpen om vriend van vijand te onderscheiden. Sommige van die uitstekende moleculen zijn antigenen die het immuunsysteem ertoe aanzetten om aan te vallen, maar het kan voor wetenschappers moeilijk zijn om die antigenen te identificeren, die vaak van persoon tot persoon verschillen, in het moleculaire bos.

Een team van Stanford-wetenschappers onder leiding van Polly Fordyce, een Institute Scholar bij Sarafan ChEM-H, heeft een nieuwe methode ontwikkeld om sneller en nauwkeuriger te voorspellen welke antigenen tot een sterke immuunrespons zullen leiden. Hun aanpak, die werd gerapporteerd in Nature Methods op 5 september, zou wetenschappers kunnen helpen bij het ontwikkelen van effectievere immuuntherapieën voor kanker.

T-cellen, een klasse van immuuncellen, kruipen langs en pletten langs andere cellen terwijl ze door het lichaam patrouilleren, met behulp van T-celreceptoren om moleculair peptiden of korte stukjes eiwitten te lezen - die zijn gewiegd in grotere eiwitten die grote histocompatibiliteitscomplexen (pMHC's) worden genoemd. die uitsteken vanaf celoppervlakken. Gezonde gastheercellen vertonen een reeks pMHC's die geen immuunrespons veroorzaken, maar zodra T-cellen ziekte-indicerende peptiden herkennen, worden ze geactiveerd om cellen met deze vreemde handtekeningen te vinden en te doden. Begrijpen hoe T-cellen deze antigene peptiden gevoelig onderscheiden van gastheerpeptiden om te voorkomen dat gastheercellen per ongeluk worden gedood, is lang een mysterie geweest.

"Een T-cel kan een enkel antigeen peptide detecteren in een zee van 10.000 of 100.000 niet-antigene peptiden die op celoppervlakken worden weergegeven", zegt Fordyce, assistent-professor bio-engineering en genetica.

De sleutel tot selectiviteit zit in de T-celcrawl. Het glijden van T-cellen legt druk op de bindingen tussen receptoren en peptiden, en in de meeste gevallen is die extra stress voldoende om die binding te verbreken. Maar soms heeft het het tegenovergestelde effect. Chris Garcia, co-auteur van de studie en hoogleraar moleculaire en cellulaire fysiologie en structurele biologie, en anderen hadden al aangetoond dat de meest antigene peptiden die zijn waarvan de interactie met T-celreceptoren sterker wordt als reactie op glijden.

"Het is een soort Chinese vingerval," zei Fordyce. "Als je een beetje aan de receptor-antigeen-interactie trekt, duurt de binding eigenlijk langer."

Mobiele mimiek

Het identificeren van de beste antigeen-receptorparen vereist het gelijktijdig toepassen van die schuif- of schuifkracht tussen een peptide en een T-cel en het meten van T-celactivering, idealiter duizenden keren om herhaalbare gegevens te krijgen voor veel mogelijke peptide/T-celreceptorparen. Maar bestaande methoden zijn tijdrovend en kunnen resulteren in het meten van slechts één peptide met honderden T-cellen per dag.

De eerste auteur van het onderzoek, postdoctoraal wetenschapper Yinnian Feng, ontwikkelde een truc waarmee het team in minder dan vijf uur 20 unieke peptiden kan meten die interactie hebben met duizenden T-cellen.

Om een ​​vereenvoudigd systeem te maken dat cellen met bungelende peptiden nabootst, construeerden ze kleine bolvormige bolletjes van een materiaal dat uitzet bij verwarming en bevestigden ze een paar moleculen van een bepaald met peptiden bezaaid pMHC aan hun oppervlak. Nadat ze een T-cel bovenop elke kraal hadden afgezet en lang genoeg hadden gewacht tot de receptoren zich aan de peptiden hadden gebonden, verwarmden ze de kraal heel lichtjes. De uitzetting van de kraal vergroot de afstand tussen de bevestigingspunten, en het overeenkomstige uitrekken van de T-cel bootst de kracht na die het zou ervaren om langs cellen in het lichaam te glijden. Na het uitoefenen van die kracht, mat het team vervolgens hoe actief de T-cellen waren.

Ze zouden honderden individuele experimenten parallel kunnen doen door kralen te gebruiken die elk zijn gelabeld met een unieke kleur, waardoor het mogelijk is om meerdere verschillende pMHC's te volgen. Ze namen na elke run twee sets foto's over elke dia:een set die hen vertelt welke pMHC een bepaalde kraal weergeeft en een andere die hen vertelt hoe actief elke T-cel bovenop die kraal is. Door naar die afbeeldingen te verwijzen, weten ze welke antigenen tot de sterkste T-celreacties hebben geleid.

In deze demonstratie van hun platform toonde het team met 21 unieke peptiden aan dat hun resultaten bekende activerende en niet-activerende peptiden voor één T-celreceptor bevestigden en een voorheen onbekend antigeen blootlegden dat een sterke T-celrespons induceerde. In samenwerking met het Garcia-lab zijn ze ook al begonnen met het aanpakken van een uitdaging in immunotherapie:de T-celreceptoren die de hoogste affiniteitsinteracties met antigenen in het laboratorium vormen, worden vaak ook geactiveerd door niet-antigene peptiden in het lichaam, een gevaarlijke bijwerking dat leidt tot het doden van gezonde cellen. Met behulp van hun technologie karakteriseerde het team T-celreceptoren die zijn ontwikkeld om specifiek tumorantigenen te herkennen zonder off-target reactiviteit. In toekomstig werk zijn ze van plan om bibliotheken van meer dan 1.000 peptiden te bouwen om nieuwe antigenen te ontdekken.

Ze hopen dat deze aanpak, die snel is en weinig cellen vereist, of een geoptimaliseerde vorm ervan, ooit kan worden gebruikt om gepersonaliseerde immuuntherapieën te verbeteren.

"Dit platform kan helpen bij het verbeteren van de inspanningen om T-cellen te ontwikkelen die specifiek op kankercellen zijn gericht, en om te bepalen welke antigenen in staat zijn om de eigen T-cellen van een patiënt krachtig te activeren om kankercellen effectiever te targeten", aldus Fordyce.

Fordyce is lid van Stanford Bio-X, SPARK en het Wu Tsai Neurosciences Institute, en is een Chan Zuckerberg Biohub-onderzoeker. Garcia is lid van Stanford Bio-X, het Stanford Cancer Institute, het Wu Tsai Neurosciences Institute en een onderzoeker van het Howard Hughes Medical Institute. Xiang Zhao en Adam K. White zijn ook auteurs van het artikel. + Verder verkennen

Uitgebreide tumorimmuniteitskaart opent immunotherapie voor meer patiënten