Cytując proste, ale niezwykle trafne słowa weterana naukowego Eda Yonga w The Atlantic: „Układ odpornościowy jest bardzo skomplikowany”. Jak wyjaśniła pandemia COVID-19, nauka wciąż nie w pełni rozumie wyrafinowane mechanizmy obronne, które chronią nas przed najeźdźcami mikrobami. Dlaczego niektórzy ludzie nie wykazują żadnych objawów po zakażeniu SARS-CoV-2, podczas gdy inni cierpią na ciężką gorączkę i bóle ciała? Dlaczego niektórzy ulegają burzom cytokin wytwarzanym przez organizm? Wciąż brakuje nam dokładnych odpowiedzi na te pytania.
Dzisiejsi naukowcy mają jednak teraz nowe narzędzie, które pomoże im odkryć tajemnice układu odpornościowego, dzięki grupie badaczy z Instytutu Wyss Inżynierii Inspirowanej Biologicznie na Uniwersytecie Harvarda. Hodowali ludzkie limfocyty B i T w mikroprzepływowym urządzeniu Organ Chip i nakłaniali je do spontanicznego tworzenia funkcjonalnych pęcherzyków limfatycznych – struktur znajdujących się w węzłach chłonnych i innych częściach ludzkiego ciała, które pośredniczą w odpowiedzi immunologicznej. Składają się z różnych komór, w których znajdują się „naiwne” limfocyty B i limfocyty T, które razem inicjują kaskadę zdarzeń prowadzącą do pełnej odpowiedzi immunologicznej, gdy są wystawione na działanie określonego antygenu.
Oprócz umożliwienia naukowcom badania prawidłowego funkcjonowania układu odpornościowego, chipy pęcherzyków limfatycznych (LF) mogą być również wykorzystywane do przewidywania odpowiedzi immunologicznych na różne szczepionki i pomagania w wyborze najlepszych, oferując znaczną poprawę w porównaniu z istniejącymi modelami przedklinicznymi, takimi jak komórki w danie i ssaki naczelne. Osiągnięcie zostało ogłoszone dzisiaj w Advanced Science.
„Zwierzęta były złotym standardem badawczym w opracowywaniu i testowaniu nowych szczepionek, ale ich układ odpornościowy znacznie różni się od naszego i nie przewiduje dokładnie, jak ludzie na nie zareagują. Nasz układ LF oferuje sposób na modelowanie złożonej choreografii ludzkie reakcje immunologiczne na infekcje i szczepienia i mogą znacznie przyspieszyć tempo i jakość tworzenia szczepionek w przyszłości” – powiedział pierwszy autor, dr Girija Goyal, starszy pracownik naukowy w Instytucie Wyss.
Przypadkowe odkrycie
Jak wiele wielkich odkryć naukowych, projekt LF Chip jest wynikiem zbiegu okoliczności w laboratorium. Goyal i inni naukowcy z Wyss Institute chcieli zbadać, w jaki sposób limfocyty B i T krążące we krwi zmienią swoje zachowanie po dostaniu się do tkanki, więc uzyskali te komórki z próbek ludzkiej krwi i hodowali je w mikroprzepływowym urządzeniu z chipem organowym, aby odtworzyć fizyczne warunki, których doświadczyli, gdy napotkali narząd.
Kiedy komórki zostały umieszczone w jednym z dwóch kanałów w urządzeniu, nie wydarzyło się nic niezwykłego – ale kiedy naukowcy rozpoczęli przepływ pożywki hodowlanej przez drugi kanał, aby zasilać komórki, byli zaskoczeni, widząc, że komórki B i T zaczęły spontanicznie organizować się w trójwymiarowe struktury w obrębie Organu, które przypominały „centra zarodkowe” – struktury w obrębie LF, w których zachodzą złożone reakcje immunologiczne. „To było tak nieoczekiwane, że całkowicie odeszliśmy od oryginalnego eksperymentu i skupiliśmy się na próbie ustalenia, czym one były” – powiedział Goyal.
Kiedy naukowcy zaczęli badać tajemnicze struktury, które uformowały się wewnątrz Organ Chip w warunkach przepływu, odkryli, że komórki wydzielają substancję chemiczną o nazwie CXCL13. CXCL13 jest cechą charakterystyczną powstawania LF, zarówno w węzłach chłonnych, jak iw innych częściach ciała w odpowiedzi na przewlekłe zapalenie, takie jak rak i stany autoimmunologiczne.
Zespół odkrył również, że komórki B w obrębie LF, które samoskładały się na chipie, również wyrażały enzym zwany indukowaną aktywacją deaminazą cytydynową (AID), który ma kluczowe znaczenie dla aktywacji komórek B przeciwko określonym antygenom i nie występuje w komórkach B, które są krążące we krwi.
Ani CXCL13, ani AID nie były obecne w komórkach hodowanych na standardowej szalce 2D, co sugeruje, że naukowcom rzeczywiście udało się stworzyć funkcjonalne LF z krążących komórek krwi.
W LF w ludzkim ciele aktywowane komórki B dojrzewają i różnicują się w wiele typów komórek potomnych, w tym komórki plazmatyczne, które wydzielają duże ilości przeciwciał przeciwko określonemu patogenowi. Zespół wykrył obecność komórek plazmatycznych w chipach LF po zastosowaniu kilku bodźców używanych w laboratorium do aktywacji komórek B, takich jak połączenie cytokiny IL-4 i przeciwciała anty-CD40 lub martwych bakterii. Co ciekawe, komórki plazmatyczne były skoncentrowane w klastrach w obrębie LF, tak jak byłyby in vivo.
„Te odkrycia były szczególnie ekscytujące, ponieważ potwierdziły, że mamy funkcjonalny model, który można wykorzystać do rozwikłania niektórych złożoności ludzkiego układu odpornościowego, w tym jego odpowiedzi na wiele rodzajów patogenów” – powiedział Pranav Prabhala, technik z Wyss. Instytut i drugi autor artykułu.
Przewidywanie skuteczności szczepionki na chipie
Teraz, gdy naukowcy dysponowali funkcjonalnym modelem LF, który może zainicjować odpowiedź immunologiczną, zbadali, czy ich chip LF można wykorzystać do replikacji i badania odpowiedzi ludzkiego układu odpornościowego na szczepionki.
W ludzkim organizmie szczepienie indukuje specjalne komórki zwane komórkami dendrytycznymi do wchłonięcia wstrzykniętego patogenu i migracji do węzłów chłonnych, gdzie prezentują ich fragmenty na swojej powierzchni. Tam te komórki prezentujące antygen aktywują komórki B przy pomocy lokalnych komórek T w LF, powodując różnicowanie komórek B w komórki plazmatyczne, które wytwarzają przeciwciała przeciwko patogenowi. Aby odtworzyć ten proces, naukowcy dodali komórki dendrytyczne do LF Chips wraz z komórkami B i T od czterech oddzielnych ludzkich dawców. Następnie zaszczepili chipy szczepionką przeciwko szczepowi grypy H5N1 wraz z adiuwantem zwanym SWE, o którym wiadomo, że wzmacnia odpowiedź immunologiczną na szczepionkę.
Chipy LF, które otrzymały szczepionkę i adiuwant, wytworzyły znacznie więcej komórek plazmatycznych i przeciwciał przeciw grypie niż limfocyty B i T hodowane w hodowlach 2D lub chipy LF, które otrzymały szczepionkę, ale nie adiuwant.
Następnie zespół powtórzył eksperyment z komórkami od ośmiu różnych dawców, tym razem przy użyciu dostępnego na rynku preparatu Fluzone? szczepionka przeciw grypie, która chroni ludzi przed trzema różnymi szczepami wirusa. Po raz kolejny komórki plazmatyczne i przeciwciała przeciw grypie były obecne w znacznej liczbie w traktowanych chipach LF. Zmierzyli również poziomy czterech cytokin w zaszczepionych chipach LF, o których wiadomo, że są wydzielane przez aktywowane komórki odpornościowe i odkryli, że poziomy trzech z nich (IFN-a, IL-10 i IL-2) były podobne do te znalezione w surowicy ludzi zaszczepionych Fluzone?.
Naukowcy z Wyss używają teraz chipów LF do testowania różnych szczepionek i adiuwantów we współpracy z firmami farmaceutycznymi i Fundacją Gatesa.
„Gwałtowny rozwój szczepionek wywołany pandemią COVID-19 był imponujący ze względu na ich szybkość, ale zwiększony popyt nagle sprawił, że tradycyjne modele zwierzęce stały się ograniczone zasobami. Chip LF oferuje tańszy, szybszy i bardziej predykcyjny model do badania ludzkich odpowiedzi immunologicznych zarówno infekcji, jak i szczepionek, i mamy nadzieję, że usprawni to i poprawi rozwój szczepionek przeciwko wielu chorobom w przyszłości” – powiedział autor korespondent dr n. med. Donald Ingber, który jest dyrektorem założycielem Instytutu Wyssa, a także Judah Folkman profesor biologii naczyń w Harvard Medical School (HMS) i Boston Children’s Hospital oraz profesor bioinżynierii w Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.
Inni autorzy artykułu to Yunhao Zhai, Min Sun Kim, Aditya Patil, Danielle Curran, Jaclyn Long, Abidemi Junaid i Tom Ferrante z Instytutu Wyss; Bruce Bausk, Tal Gilboa, Limor Cohen i David Walt z Wyss Institute, Brigham and Women’s Hospital oraz HMS; oraz byli członkowie Wyss Institute Gautam Mahajan, Liangxia Xie, Roey Lazarovits, Adam Mansour, Sanjay Sharma, Oren Levy i Rachelle Prantil-Baun.
Badania te były wspierane przez DARPA w ramach umowy o współpracy numer W911NF-12-2-0036, National Institutes of Health w ramach grantu UG3HL141797, Fundację Billa i Melindy Gatesów, BARDA w ramach umowy 75A50121C00075 oraz Wyss Institute for Biological Inspired Engineering.