Иммунитет-на-чипе
Иммунная система очень сложна, и, как показала пандемия COVID-19, наука до сих пор не до конца понимает сложные механизмы, которые защищают организм от микроорганизмов. Почему некоторые переносят заражение SARS-CoV-2 бессимптомно, в то время как другие страдают от тяжелой лихорадки? Почему не все пациенты подвержены цитокиновому шторму? Точных ответов на эти вопросы у иммунологов до сих пор нет.
Разгадать тайны иммунной системы, вероятно, поможет работа группы исследователей из Института Висса при Гарвардском университете. Они культивировали человеческие В- и Т-лимфоциты внутри микрожидкостного чипа, принуждая спонтанно образовывать функциональные лимфатические фолликулы, аналогичные тем, которые находятся в лимфатических узлах человека и опосредуют иммунные ответы. Фолликул представляет полость, в которой находятся «неопытные» В- и Т-лимфоциты, вместе они инициируют каскад событий, приводящих к иммунному ответу при воздействии антигена.
С помощью новой модели можно будет не только исследовать нормальную функцию иммунной системы, но и прогнозировать реакции на различные вакцины, чтобы выбрать лучшие из них. Исследователи предполагают, что «иммунитет-на-чипе» даст более достоверную информацию, чем животные модели. Иммунная система животных значительно отличается от человеческой, поэтому результаты, полученные на животных моделях, могут не повторяться в клинических исследованиях.
Случайное открытие
Целью исследователей было изучить, как циркулирующие в крови B- и T-лимфоциты меняют свое поведение при попадании в ткань. Они получили эти клетки из образцов крови человека и культивировали их внутри микрожидкостного чипа, чтобы воспроизвести физические условия конкретного органа.
Когда клетки были помещены в один из двух каналов внутри устройства и была введена культуральная среда для питания, исследователи отметили, что В- и Т-лимфоциты начали самопроизвольно организовываться в трехмерные структуры внутри чипа. Появились полости, напоминающие лимфатические фолликулы с похожим герминативным центром. Неожиданное поведение лимфоцитов полностью изменило первоначальную цель эксперимента, и исследователи сосредоточились на более глубоком изучении лимфатического фолликула на чипе (LF Chip).
Лимфоциты, культивированные в потоке жидкости, спонтанно организуются в лимфоидные фолликулы (слева), те же клетки в статических условиях никаких структур не образуют (справа). Источник: Институт Висса при Гарвардском университете.
Исследователи обнаружили, что лимфоциты в LF Chip секретируют хемокин CXCL13, который является характерным признаком образования лимфатических фолликулов как в лимфатических узлах, так и в других частях тела в ответ на хроническое воспаление, например, при раке и аутоиммунных заболеваниях.
Группа также обнаружила, что В-клетки внутри LF Chip экспрессируют индуцированную активацией цитидиндезаминазу (AID) – фермент, который критически важен для активации В-клеток против специфических антигенов и не присутствует в В-клетках, циркулирующих в крови. Ни CXCL13, ни AID не присутствовали в клетках, культивируемых в двумерной среде, значит, ученые действительно успешно создали функциональные лимфатические фолликулы из циркулирующих клеток крови.
В лимфатических фолликулах в организме человека активированные В-лимфоциты созревают и дифференцируются в несколько типов клеток-потомков, включая плазматические клетки, которые выделяют большое количество антител против специфического патогена. Группа обнаружила присутствие плазматических клеток в LF Chip после того, как стимулировали их комбинацией цитокина IL-4 и анти-CD40 или убитыми микроорганизмами. Примечательно, что плазматические клетки были сосредоточены в кластерах внутри фолликулов, как это было бы in vivo.
Прогнозирование эффективности вакцин
Следующим шагом было изучение достоверности данных, полученных с помощью LF Chip, для изучения реакции иммунной системы человека на вакцины.
В организме человека после вакцинации дендритные клетки начинают поглощать введенные патогены и мигрируют в лимфатические узлы, где представляют их фрагменты на своей поверхности. Там, в фолликулах, эти антигенпрезентирующие клетки активируют В-клетки с помощью Т-клеток, заставляя В-клетки дифференцироваться в плазматические клетки, продуцирующие антитела против патогена. Чтобы воспроизвести этот процесс, исследователи добавили дендритные клетки в LF Chip вместе с В- и Т-клетками от четырех отдельных доноров. Затем они привили чипы вакциной против гриппа H5N1 вместе с адъювантом SWE, который, как известно, усиливает иммунный ответ на вакцину.
Чипы, получившие вакцину и адъювант, продуцировали значительно больше плазматических клеток и противогриппозных антител, чем В- и Т-клетки, выращенные в двухмерных культурах, или чипы, получившие вакцину без адъюванта.
Затем группа повторила эксперимент с клетками восьми доноров, на этот раз используя коммерчески доступную вакцину против гриппа Fluzone, которая защищает от трех различных штаммов вируса. И снова плазматические клетки и противогриппозные антитела присутствовали в этих чипах в значительном количестве. Исследователи также измерили уровни четырех цитокинов в вакцинированных чипах, которые, как известно, секретируются активированными иммунными клетками, и обнаружили, что уровни трех из них (IFN-γ, IL-10 и IL-2) были аналогичны уровням, обнаруженным в сыворотке крови людей, вакцинированных Fluzone.
В условиях пандемии COVID-19 внезапно возросший спрос на вакцины сделал традиционные модели животных дефицитным ресурсом. Новый чип обеспечивает более дешевое, быстрое и точное моделирование для изучения иммунных реакций человека как на инфекции, так и на вакцины. В настоящее время исследователи используют LF Chip для тестирования различных вакцин и адъювантов в сотрудничестве с фармацевтическими компаниями и Фондом Гейтса.
Статья G.Goyal et al. Ectopic Lymphoid Follicle Formation and Human Seasonal Influenza Vaccination Responses Recapitulated in an Organ-on-a-Chip опубликована в журнале Advanced Science.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Wyss Institute: The immune system is very complicated, but now, it’s on a chip.