T-cellen beschermen het lichaam tegen vreemde stoffen (bekend als antigenen) en zijn een essentieel onderdeel van het immuunsysteem van het lichaam. Nieuwe immunotherapieën die de eigen T-cellen van een patiënt gebruiken om ziekten te behandelen, zijn al opvallend effectief gebleken bij de behandeling van sommige kankers, en kankeronderzoekers over de hele wereld racen om deze behandelingen te verbeteren en breder toe te passen.

De interactie tussen T-cellen en antigenen veroorzaakt de immuunrespons, met cascade van signalen in de T-cel. Het proces omvat een ingewikkelde choreografie van receptoreiwitten en hun liganden op of nabij het oppervlak van de T-cel en de antigeenpresenterende cel (APC).

Een team van onderzoekers, onder leiding van Columbia Engineering Applied Physicist Shalom J. Wind en Oxford University en NYU-Langone Medical Center-bioloog Michael L. Dustin, heeft de geometrische onderbouwing van T-celtriggering onthuld door de precieze engineering van T-celreceptorgeometrie in alle drie de dimensies. Ze gebruikten nanofabricage om een ​​biomimetisch oppervlak te creëren dat de belangrijkste kenmerken van de APC simuleert. Dit oppervlak presenteert T-celreceptorliganden (moleculen die binden aan en stimuleren van receptoren op het oppervlak van de T-cel) in een verscheidenheid aan verschillende geometrische rangschikkingen, met verschillende inter-ligandafstanden gerangschikt in clusters van verschillende grootte. De bevindingen worden vandaag online gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

"Onze resultaten kunnen een significante impact hebben op het gebied van adoptieve immunotherapie, die recentelijk opmerkelijk succes heeft geboekt bij de behandeling van bepaalde vormen van kanker, ", zegt Wind. "Onze nano-engineering-aanpak heeft ons in staat gesteld de rol te onderzoeken die geometrie speelt bij het triggeren van T-cellen met ongekende precisie en controle. We raakten erg geïnteresseerd in het bepalen hoe belangrijk de geometrische rangschikking van moleculen is voor de vroege stappen in T-celstimulatie, omdat dit nieuw inzicht in dit proces zou kunnen geven en misschien zelfs een nieuwe manier zou kunnen bieden om T-celactivering te beheersen."

De nieuwe vooruitgang in de nanogefabriceerde biomimetische oppervlakken van het team, wat de sleutel was tot de studie die vandaag werd gepubliceerd, was de ontwikkeling van een manier om de liganden op "nanovoeten" op het oppervlak te plaatsen, effectief de afstand tussen de T-cel en de APC regelen, terwijl tegelijkertijd de afstand tussen de afzonderlijke liganden wordt gecontroleerd. Ze bedachten ook een techniek om andere moleculen te introduceren die een belangrijke rol spelen in de T-cel/APC-betrokkenheid en lieten ze aan elkaar binden.

De combinatie van deze innovaties - de precieze geometrische controle van de ligandpositie samen met het plaatsen van de liganden op de nanovoetjes en het mogelijk maken dat de extra moleculen hun gebruikelijke rol spelen - leidde tot een opvallende ontdekking:een sterke toename van de T-celtriggering toen de ligandafstand daalde onder de 50nm. Maar deze drempel verscheen pas toen de T-cel ongeveer 23 nm van het oppervlak (of APC-oppervlak) was gescheiden, met behulp van de nanovoetjes. De onderzoekers toonden aan dat dit een resultaat was dat voortkwam uit de ruimtelijke aspecten van CD45, een eiwit waarvan de fysiologische rol het remmen van de activering van de T-celreceptor is. Als de T-cel en de APC heel dicht bij elkaar liggen, dan CD45, wat een "groot" molecuul is, wordt "uitgedrukt" uit het gebied, waardoor de activering van de T-celreceptor kan doorgaan. Met wat extra ruimte tussen de cellen, CD45 kan dit voorkomen - tenzij de T-celreceptorliganden te dicht bij elkaar liggen (minder dan 50 nm), in welk geval, de laterale afstand knijpt de CD45 gedeeltelijk uit.

De rol van CD45-uitsluiting van de T-celreceptor is een hot topic onder immunologieonderzoekers:sommigen denken dat het een absolute vereiste is voor receptortriggering, terwijl anderen zeggen dat het slechts een gedeeltelijke rol speelt. "In onze studie we konden niet alleen een ruimtelijke drempel waarnemen die aantoont dat CD45-uitsluiting belangrijk is, maar ook om te zien dat triggering kan plaatsvinden, zelfs wanneer CD45 niet volledig gescheiden is van het T-celreceptorgebied, zolang de afstand klein is, " zegt Dustin, die professor is aan het Kennedy Institute of Rheumatology. "Dit werpt niet alleen een belangrijk licht op de kwestie van CD45-uitsluiting, maar het suggereert een functionele rol voor T-celreceptorverpakking bij nauwe afmetingen."

Dit zeer interdisciplinaire project combineerde de verwerking van halfgeleiderapparatuur met cellulaire biologie, oppervlaktechemie, en biochemie. Het Colombia-team, waaronder Michael Sheetz, waaronder Michael Sheetz, Emeritus hoogleraar biologische wetenschappen en biomedische technologie en directeur van het Mechanobiology Institute of Singapore, bundelden hun expertise, het gebruik van de instrumenten en technieken die oorspronkelijk door de halfgeleiderindustrie zijn ontwikkeld om transistoren te fabriceren en deze aan te passen om belangrijke vragen in de celbiologie aan te pakken. Het team werkt al bijna 15 jaar samen aan detectie van cellulaire geometrie. Ze gebruiken lithografische patronen, dunne filmafzetting, en etsen om "chips" te maken die zijn gebouwd op objectglaasjes, in plaats van siliciumwafels. Gebruikmakend van de faciliteiten die beschikbaar zijn als onderdeel van het Columbia Nano Initiative, ze hebben willekeurige patronen van individuele eiwitten kunnen creëren (veel kleiner dan zelfs de meest geavanceerde transistorelementen), met nauwkeurige controle over de locatie van elk eiwit.

Dustin merkte op, "Dit was een fijne samenwerking, omdat biologen hebben geworsteld met manieren om de ruimte tussen cellen nauwkeurig te controleren. De Columbia-ingenieurs ontwikkelden een methode om de levende T-cel effectief met 10 nm op te krikken over een biomimetisch oppervlak dat is ontwikkeld door het NYU/Oxford-team. Deze elementen kwamen samen om een ​​fundamentele kwestie aan te pakken die relevant is voor immunotherapie."

De vandaag gerapporteerde resultaten kunnen belangrijke toepassingen hebben in adoptieve immunotherapie en mogelijk daarbuiten. Met de specifieke kennis van de geometrische parameters die ten grondslag liggen aan het triggeren van T-celreceptoren, onderzoekers zouden sommige therapieën kunnen verbeteren door, bijvoorbeeld, het ontwerpen van nieuwe chimere antigeenreceptoren (die de basis vormen voor CAR T-celtherapie) met specifieke geometrische kenmerken die de therapeutische resultaten optimaliseren. Nanogefabriceerde oppervlakken zoals die in dit werk worden gebruikt, kunnen ook worden gebruikt om zowel T-celexpansie als activering buiten het lichaam te verbeteren, mogelijk het verhogen van de efficiëntie van dit type immunotherapie en het verkorten van de behandeltijd.

"Dit werk is echt slim, " zegt Carl S. juni, een professor in immunotherapie aan de Perelman School of Medicine, Universiteit van Pennsylvania, en een pionier op het gebied van adoptieve T-celtransfertherapie, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Het directe bewijs voor een niet-lineaire rol die in en uit het vlak van het membraan wordt gespeeld bij het triggeren van TCR (T-celreceptor) is vrij nieuw en heeft implicaties voor het ontwerp van CAR T-cellen. Deze benadering kan de ontwikkeling van CAR's die een beter onderscheid zouden hebben tussen tumorcellen en normale cellen met een lagere doeldichtheid."

Sheetz voegt toe, "Deze technologie kan een veel grotere rol spelen bij het aanpakken van de algemene kwestie van hoe de afstand tussen cellen en tussen cellen en substraten signaalprocessen kan beïnvloeden."

"Buiten onze focus op immunotherapie, " Windnoten, "Dit werk laat zien hoe de kracht van transistorfabricagetechnologie kan worden toegepast op problemen in de biogeneeskunde. Het volgen van dit pad belooft in de toekomst tot meer opwindende ontwikkelingen te leiden."