Le cellule T proteggono il corpo da sostanze estranee (note come antigeni) e sono una componente essenziale del sistema immunitario dell'organismo. Nuove immunoterapie che utilizzano le cellule T del paziente per curare la malattia si sono già dimostrate sorprendentemente efficaci nel trattamento di alcuni tipi di cancro, e i ricercatori sul cancro di tutto il mondo stanno correndo per migliorare questi trattamenti e applicarli in modo più ampio.

L'impegno tra le cellule T e gli antigeni innesca la risposta immunitaria, con cascata di segnali all'interno della cellula T. Il processo comporta un'intricata coreografia delle proteine ​​recettoriali e dei loro ligandi in corrispondenza o in prossimità della superficie della cellula T e della cellula presentante l'antigene (APC).

Un team di ricercatori, guidato dal fisico applicato della Columbia Engineering Shalom J. Wind e dalla Oxford University e dal biologo del NYU-Langone Medical Center Michael L. Dustin, ha rivelato le basi geometriche dell'attivazione delle cellule T attraverso l'ingegneria precisa della geometria del recettore delle cellule T in tutte e tre le dimensioni. Hanno usato la nanofabbricazione per creare una superficie biomimetica che simula le caratteristiche chiave dell'APC. Questa superficie presenta ligandi dei recettori delle cellule T (molecole che si legano e stimolano i recettori sulla superficie della cellula T) in una varietà di diverse disposizioni geometriche, con differenti spazi tra leganti disposti in cluster di varia grandezza. I risultati sono pubblicati online oggi in Nanotecnologia della natura .

"I nostri risultati potrebbero avere un impatto significativo nel campo dell'immunoterapia adottiva, che ha riscosso un notevole successo di recente nel trattamento di alcuni tipi di cancro, " dice Wind. "Il nostro approccio di nanoingegneria ci ha permesso di studiare il ruolo che la geometria gioca nell'attivazione delle cellule T con una precisione e un controllo senza precedenti. Siamo diventati molto interessati a determinare quanto sia importante la disposizione geometrica delle molecole per i primi passi nella stimolazione delle cellule T, perché questo potrebbe fornire nuove informazioni su questo processo e potrebbe persino offrire un nuovo modo per controllare l'attivazione delle cellule T".

Il nuovo progresso nelle superfici biomimetiche nanofabbricate del team, che è stato fondamentale per lo studio pubblicato oggi, è stato lo sviluppo di un modo per posizionare i ligandi su "nanopiedistalli" sulla superficie, controllando efficacemente la distanza tra la cellula T e l'APC, controllando allo stesso tempo la spaziatura tra i singoli ligandi. Hanno anche ideato una tecnica per introdurre altre molecole che svolgono un ruolo importante nell'impegno delle cellule T/APC e hanno permesso loro di legarsi l'una all'altra.

La combinazione di queste innovazioni - il preciso controllo geometrico della posizione del ligando insieme al posizionamento dei ligandi sui nanopiedistalli e consentendo alle molecole aggiuntive di svolgere il loro ruolo abituale - ha portato a una scoperta sorprendente:un forte aumento dell'attivazione delle cellule T quando la spaziatura del ligando è diminuita sotto i 50 nm. Ma questa soglia è apparsa solo quando la cellula T è stata separata dalla superficie (o superficie APC) di circa 23 nm, utilizzando i nanopiedistalli. I ricercatori hanno dimostrato che questo era un risultato derivante dagli aspetti spaziali di CD45, una proteina il cui ruolo fisiologico è quello di inibire l'attivazione del recettore delle cellule T. Se la cellula T e l'APC sono molto vicine tra loro, poi CD45, che è una molecola "grande", viene "spremuto" dalla zona, permettendo all'attivazione del recettore delle cellule T di procedere. Con un po' di spazio in più tra le celle, CD45 può impedirlo? a meno che i ligandi del recettore delle cellule T non siano troppo vicini l'uno all'altro (meno di 50 nm), in quale caso, la spaziatura laterale fa fuoriuscire parzialmente il CD45.

Il ruolo dell'esclusione del CD45 dal recettore delle cellule T è stato un argomento scottante tra i ricercatori di immunologia:alcuni pensano che sia un requisito assoluto per l'attivazione del recettore, mentre altri dicono che svolge solo un ruolo parziale. "Nel nostro studio, siamo stati in grado non solo di osservare una soglia spaziale che mostra che l'esclusione di CD45 è importante, ma anche per vedere che l'attivazione può avvenire anche quando il CD45 non è completamente segregato dalla regione del recettore delle cellule T, fintanto che la distanza è piccola, "dice Dustin, che è professore al Kennedy Institute of Rheumatology. "Questo non solo getta una luce importante sulla questione dell'esclusione del CD45, ma suggerisce un ruolo funzionale per l'impaccamento del recettore delle cellule T a dimensioni ravvicinate".

Questo progetto altamente interdisciplinare ha combinato l'elaborazione di dispositivi a semiconduttore con la biologia cellulare, chimica di superficie, e biochimica. La squadra colombiana, che includeva Michael Sheetz, che includeva Michael Sheetz, Professore Emerito di Scienze Biologiche e Ingegneria Biomedica e Direttore dell'Istituto di Meccanobiologia di Singapore, hanno unito le loro competenze, prendendo gli strumenti e le tecniche originariamente sviluppati dall'industria dei semiconduttori per fabbricare transistor e adattandoli per affrontare importanti questioni nella biologia cellulare. Il team collabora al rilevamento della geometria cellulare da quasi 15 anni. Usano modelli litografici, deposizione di film sottile, e incisione per creare "chip" che sono costruiti su vetrini da microscopio, piuttosto che wafer di silicio. Utilizzando le strutture disponibili nell'ambito della Columbia Nano Initiative, sono stati in grado di creare modelli arbitrari di singole proteine ​​(molto più piccoli anche degli elementi transistor più avanzati), con un controllo preciso sulla posizione di ogni singola proteina.

Dustin ha notato, "Questa è stata una grande collaborazione, poiché i biologi hanno lottato con i modi per controllare con precisione lo spazio tra le cellule. Gli ingegneri della Columbia hanno sviluppato un metodo per "sollevare" efficacemente la cellula T viva di 10 nm su una superficie biomimetica sviluppata dal team della NYU/Oxford. Questi elementi si sono uniti per affrontare una questione fondamentale di rilevanza per l'immunoterapia".

I risultati riportati oggi potrebbero avere importanti applicazioni nell'immunoterapia adottiva e forse oltre. Con la conoscenza specifica dei parametri geometrici alla base dell'attivazione del recettore dei linfociti T, i ricercatori potrebbero migliorare alcune terapie, Per esempio, progettare nuovi recettori chimerici per l'antigene (che sono alla base della terapia delle cellule T CAR) con specifiche caratteristiche geometriche che ottimizzino gli esiti terapeutici. Le superfici nanofabbricate come quelle utilizzate in questo lavoro potrebbero essere utilizzate anche per migliorare sia l'espansione e l'attivazione delle cellule T all'esterno del corpo, possibilmente aumentando l'efficacia di questo tipo di immunoterapia e accorciando i tempi di trattamento.

"Questo lavoro è davvero intelligente, " dice Carl S. giugno, un professore di immunoterapia alla Perelman School of Medicine, Università della Pennsylvania, e un pioniere della terapia di trasferimento di cellule T adottive, che non era coinvolto nello studio. "L'evidenza diretta di un ruolo non lineare giocato dentro e fuori dal piano della membrana nell'attivazione del TCR (recettore delle cellule T) è piuttosto nuova e ha implicazioni sulla progettazione delle cellule T CAR. Questo approccio potrebbe guidare lo sviluppo di CAR che avrebbero una migliore discriminazione tra cellule tumorali e cellule normali che hanno densità di bersaglio inferiori".

Sheetz aggiunge, "Questa tecnologia può avere un ruolo molto più ampio nell'affrontare il problema generale di come la spaziatura tra le cellule e tra le cellule e i substrati può influenzare i processi di segnalazione".

"Al di là della nostra attenzione sull'immunoterapia, "Note di vento, "questo lavoro mostra come la potenza della tecnologia di fabbricazione dei transistor può essere applicata ai problemi della biomedicina. Seguire questo percorso promette di portare a sviluppi più entusiasmanti in futuro".