Composite d'une micrographie électronique à balayage et d'une image d'immunofluorescence montrant une cellule T (SEM) sur un réseau de grappes de ligands des récepteurs des cellules T, rouge marqué par fluorescence. Le signal fluorescent vert provient de la phosphorylation d'un composant du récepteur des cellules T, indiquant que le déclenchement s'est produit (c'est-à-dire, la cellule T a été stimulée). Crédit :Haogang Cai/Columbia Engineering
Les cellules T protègent le corps contre les substances étrangères (appelées antigènes) et sont une composante essentielle du système immunitaire du corps. De nouvelles immunothérapies qui utilisent les propres cellules T d'un patient pour traiter la maladie se sont déjà révélées remarquablement efficaces dans le traitement de certains cancers, et les chercheurs sur le cancer du monde entier se précipitent pour améliorer ces traitements et les appliquer plus largement.
L'engagement entre les cellules T et les antigènes déclenche la réponse immunitaire, avec cascade de signaux dans la cellule T. Le processus implique une chorégraphie complexe de protéines réceptrices et de leurs ligands à ou près de la surface de la cellule T et de la cellule présentatrice d'antigène (APC).
Une équipe de chercheurs, dirigé par le physicien spécialisé en ingénierie de Columbia Shalom J. Wind et l'Université d'Oxford et le biologiste du NYU-Langone Medical Center Michael L. Dustin, a révélé les fondements géométriques du déclenchement des cellules T grâce à l'ingénierie précise de la géométrie des récepteurs des cellules T dans les trois dimensions. Ils ont utilisé la nanofabrication pour créer une surface biomimétique qui simule les principales caractéristiques de l'APC. Cette surface présente des ligands des récepteurs des cellules T (molécules qui se lient aux récepteurs et les stimulent à la surface de la cellule T) dans une variété d'arrangements géométriques différents, avec différents espacements inter-ligands disposés en grappes de taille variable. Les résultats sont publiés en ligne aujourd'hui dans Nature Nanotechnologie .
"Nos résultats pourraient avoir un impact significatif dans le domaine de l'immunothérapie adoptive, qui a connu récemment un succès remarquable dans le traitement de certains cancers, " dit Wind. "Notre approche de nano-ingénierie nous a permis d'étudier le rôle que joue la géométrie dans le déclenchement des cellules T avec une précision et un contrôle sans précédent. Nous sommes devenus très intéressés par la détermination de l'importance de l'arrangement géométrique des molécules pour les premières étapes de la stimulation des cellules T, car cela pourrait fournir un nouvel aperçu de ce processus et pourrait même offrir une nouvelle façon de contrôler l'activation des cellules T. »
La nouvelle avancée dans les surfaces biomimétiques nanofabriquées de l'équipe, qui était la clé de l'étude publiée aujourd'hui, était le développement d'un moyen de placer les ligands sur des "nanopédestaux" à la surface, contrôler efficacement la distance entre la cellule T et l'APC, tout en contrôlant l'espacement entre les ligands individuels. Ils ont également conçu une technique pour introduire d'autres molécules qui jouent un rôle important dans l'engagement des cellules T/APC et leur ont permis de se lier les unes aux autres.
La combinaison de ces innovations - le contrôle géométrique précis de la position des ligands avec le placement des ligands sur les nanopieds et permettant aux molécules supplémentaires de jouer leur rôle habituel - a conduit à une découverte frappante :une forte augmentation du déclenchement des cellules T lorsque l'espacement des ligands diminuait en dessous de 50 nm. Mais ce seuil n'apparaissait que lorsque la cellule T était séparée de la surface (ou surface APC) d'environ 23 nm, en utilisant les nanopieds. Les chercheurs ont montré qu'il s'agissait d'un résultat provenant des aspects spatiaux de CD45, une protéine dont le rôle physiologique est d'inhiber l'activation des récepteurs des cellules T. Si la cellule T et l'APC sont très proches l'une de l'autre, puis CD45, qui est une "grosse" molécule, est "éjecté" de la zone, permettant à l'activation des récepteurs des cellules T de se poursuivre. Avec un peu d'espace supplémentaire entre les cellules, Le CD45 peut empêcher cela ? sauf si les ligands des récepteurs des cellules T sont trop proches les uns des autres (moins de 50 nm), dans quel cas, l'espacement latéral écrase partiellement le CD45.
Micrographie électronique à balayage en fausses couleurs d'un lymphocyte T (vert) sur un ensemble de grappes de ligands des récepteurs des lymphocytes T (non visible) liés à des nanoparticules d'or-palladium (or, il y en a sept dans chaque groupe). Les filopodes (extensions cellulaires) atteignent et contactent directement les clusters. Crédit :Haogang Cai/Columbia Engineering
Le rôle de l'exclusion de CD45 du récepteur des cellules T a été un sujet brûlant parmi les chercheurs en immunologie :certains pensent qu'il s'agit d'une exigence absolue pour le déclenchement du récepteur, tandis que d'autres disent qu'il ne joue qu'un rôle partiel. « Dans notre étude, nous avons pu non seulement observer un seuil spatial qui montre que l'exclusion CD45 est importante, mais aussi de voir que le déclenchement peut avoir lieu même lorsque le CD45 n'est pas entièrement séparé de la région des récepteurs des cellules T, tant que l'espacement est petit, " dit Dustin, qui est professeur au Kennedy Institute of Rheumatology. "Non seulement cela apporte un éclairage important sur la question de l'exclusion du CD45, mais cela suggère un rôle fonctionnel pour l'emballage des récepteurs des cellules T à des dimensions proches. »
Ce projet hautement interdisciplinaire combinait le traitement de dispositifs semi-conducteurs avec la biologie cellulaire, chimie de surface, et biochimie. L'équipe de Colombie, qui comprenait Michael Sheetz, qui comprenait Michael Sheetz, Professeur émérite de sciences biologiques et de génie biomédical et directeur du Mechanobiology Institute of Singapore, ont combiné leur savoir-faire, utiliser les outils et les techniques développés à l'origine par l'industrie des semi-conducteurs pour fabriquer des transistors et les adapter pour répondre à des questions importantes en biologie cellulaire. L'équipe collabore à la détection de la géométrie cellulaire depuis près de 15 ans. Ils utilisent des motifs lithographiques, dépôt de couche mince, et gravure pour créer des "puces" construites sur des lames de microscope, plutôt que des plaquettes de silicium. En utilisant les installations disponibles dans le cadre de la Columbia Nano Initiative, ils ont été capables de créer des motifs arbitraires de protéines individuelles (beaucoup plus petites que même les éléments de transistors les plus avancés), avec un contrôle précis de l'emplacement de chaque protéine.
Dustin a noté, "C'était une belle collaboration, car les biologistes ont lutté avec des moyens de contrôler avec précision l'espace entre les cellules. Les ingénieurs de Columbia ont développé une méthode pour « élever » efficacement la cellule T vivante de 10 nm sur une surface biomimétique développée par l'équipe NYU/Oxford. Ces éléments se sont réunis pour répondre à une question fondamentale de pertinence pour l'immunothérapie. »
Les résultats rapportés aujourd'hui pourraient avoir des applications importantes en immunothérapie adoptive et peut-être au-delà. Avec la connaissance spécifique des paramètres géométriques sous-jacents au déclenchement des récepteurs des cellules T, les chercheurs pourraient améliorer certaines thérapies en, par exemple, concevoir de nouveaux récepteurs antigéniques chimériques (qui sont à la base de la thérapie par cellules CAR T) avec des caractéristiques géométriques spécifiques qui optimisent les résultats thérapeutiques. Des surfaces nanofabriquées comme celles utilisées dans ce travail pourraient également être utilisées pour améliorer à la fois l'expansion et l'activation des cellules T à l'extérieur du corps, augmenter éventuellement l'efficacité de ce type d'immunothérapie et raccourcir la durée du traitement.
"Ce travail est vraiment intelligent, " dit Carl S. June, professeur d'immunothérapie à la Perelman School of Medicine, Université de Pennsylvanie, et un pionnier de la thérapie adoptive de transfert de cellules T, qui n'a pas participé à l'étude. « La preuve directe d'un rôle non linéaire joué dans et hors du plan de la membrane dans le déclenchement du TCR (récepteur des cellules T) est assez nouvelle et a des implications sur la conception des cellules CAR T. Cette approche pourrait guider le développement de CARs qui auraient une meilleure discrimination entre les cellules tumorales et les cellules normales qui ont des densités de cibles plus faibles."
Sheetz ajoute, "Cette technologie peut jouer un rôle beaucoup plus important dans la résolution du problème général de la façon dont l'espacement entre les cellules ainsi qu'entre les cellules et les substrats peut affecter les processus de signalisation."
"Au-delà de notre focalisation sur l'immunothérapie, " Notes de vent, "Ce travail montre comment la puissance de la technologie de fabrication des transistors peut être appliquée aux problèmes de la biomédecine. Suivre cette voie promet de conduire à des développements plus passionnants à l'avenir."
