Una domanda sconcertante in immunologia è stata, come fanno le cellule immunitarie a ricordare un'infezione o una vaccinazione in modo da poter entrare in azione decenni dopo? Ricerca condotta da scienziati dell'Università della California, Berkeley, in collaborazione con gli investigatori della Emory University, ha trovato una risposta:un piccolo pool delle stesse cellule immunitarie che hanno risposto all'invasione originale rimane vivo per anni, sviluppando caratteristiche uniche che li tengono pronti e aspettano che lo stesso microbo invada nuovamente il corpo.

Prima di questo studio, gli scienziati non erano sicuri di come le cellule possano ricordare un'infezione fino a 30 anni prima. Per svelare questo mistero, il team di ricerca ha monitorato un tipo specifico di cellula immunitaria attraverso il corpo umano nelle settimane, mesi e anni dopo una vaccinazione che dia protezione a lungo termine.

I ricercatori hanno monitorato le cellule T all'interno del corpo delle persone dopo che è stato loro somministrato il vaccino contro il virus della febbre gialla a lunga durata, utilizzando una tecnologia sviluppata a Berkeley per monitorare la nascita e la morte delle cellule negli esseri umani per lunghi periodi di tempo. I ricercatori hanno scoperto che le cellule T CD8+, responsabile dell'immunità a lungo termine contro la febbre gialla, proliferano rapidamente con l'esposizione al vaccino ma poi si evolvono, a partire da circa quattro settimane dopo la vaccinazione, in un "pool di memoria" di cellule che vivono più di 10 volte più a lungo della cellula T media.

"Questo lavoro ha affrontato questioni fondamentali sull'origine e la longevità delle cellule T CD8+ di memoria umana generate dopo un'infezione acuta, " ha detto Marc Hellerstein, coautore senior e professore di scienze nutrizionali e tossicologia presso l'UC Berkeley. "Comprendere le basi di un'efficace memoria immunitaria a lungo termine può aiutare gli scienziati a sviluppare vaccini migliori, comprendere le differenze tra le malattie e diagnosticare la qualità delle risposte immunitarie di una singola persona".

Lo studio sarà pubblicato il 13 dicembre sulla rivista Natura . Il lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni del National Institutes of Health.

Quando qualcuno riceve un vaccino o viene esposto a un nuovo agente infettivo, le cellule che riconoscono l'invasore ma che non erano mai state chiamate in azione prima - chiamate cellule ingenue - rispondono dividendo come un matto e sviluppando funzioni di lotta alle infezioni. Questo crea un grande pool di cosiddette celle di memoria, chiamati per la loro capacità di ricordare l'agente infettivo specifico e rispondere efficacemente alle minacce ripetute in seguito. Col tempo, il grande pool si riduce a un piccolo numero di celle di memoria a lungo termine, che sono innescati per fornire una protezione tardiva. Ma gli scienziati hanno discusso su come queste cellule di memoria siano mantenute e pronte a colpire per così tanto tempo dopo l'esposizione iniziale.

Questo studio ha scoperto che un modo in cui il pool viene mantenuto per anni dopo la vaccinazione è attraverso lo sviluppo di diverse caratteristiche uniche. In superficie e attraverso le azioni dei loro geni, sembrano cellule che non sono mai state esposte a un'infezione, ma sul loro DNA i ricercatori hanno trovato un'impronta digitale, chiamato pattern di metilazione, che li identifica come se fossero stati in battaglia come una cellula che combatte le infezioni, che sono chiamate cellule effettrici.

"Queste cellule sono come soldati veterani, accampati nel sangue e nei tessuti dove combattono le loro battaglie, aspettando che si manifesti la febbre gialla, " ha detto Hellerstein. " Stanno riposando tranquillamente e indossano gli abiti di nuove reclute non testate, ma sono profondamente vissuti, pronto a entrare in azione e pronto ad espandersi selvaggiamente e ad attaccare in modo aggressivo se gli invasori tornano."

Per lo studio, Hellerstein ha applicato una tecnica che ha sviluppato per la sua ricerca sull'HIV/AIDS negli anni '90 e che da allora ha ampiamente utilizzato per monitorare la nascita e la morte delle cellule nel corpo umano. Il team di ricerca ha chiesto ai soggetti di bere piccole quantità di acqua contenente deuterio anziché idrogeno. Il deuterio non è tossico, ma è leggermente più pesante dell'idrogeno, in modo che gli scienziati possano rintracciarlo mediante spettrometria di massa quando viene incorporato nel DNA appena replicato nelle cellule del corpo, che avviene solo durante la divisione cellulare. Usando questo metodo, gli scienziati possono scoprire se un pool di cellule è nuovo o vecchio, perché le cellule appena nate avranno deuterio nel loro DNA. Scienziati o medici che monitorano le cellule nel tempo vedranno che i livelli di deuterio nelle cellule di breve durata saranno diluiti dopo che i pazienti torneranno a bere acqua normale, mentre i livelli di deuterio nelle cellule longeve rimarranno elevati. Nel nuovo studio, le persone hanno bevuto l'acqua di deuterio in momenti diversi dopo aver ricevuto il vaccino contro il virus della febbre gialla vivo e i ricercatori hanno isolato le cellule T dai pazienti, quindi analizzato il loro contenuto di deuterio.

Il virus della febbre gialla non è una minaccia negli Stati Uniti, il che significa che tutti i soggetti non erano stati precedentemente esposti e non sarebbero stati esposti dopo il periodo di tagging, rendendo il vaccino ideale per studiare cosa succede alle cellule appena generate per un lungo periodo di tempo, 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."