En cells hemligheter kan avslöjas av dess yta, dekorerad med tiotals till hundratusentals molekyler som hjälper immunceller att avgöra vän från fiende. Några av de utskjutande molekylerna är antigener som utlöser immunsystemet att attackera, men det kan vara svårt för forskare att identifiera dessa antigener, som ofta varierar mellan individer, i den molekylära skogen.

Ett team av Stanford-forskare ledda av Polly Fordyce, en Institute Scholar vid Sarafan ChEM-H, har utvecklat en ny metod för att snabbare och mer exakt förutsäga vilka antigener som kommer att leda till ett starkt immunsvar. Deras tillvägagångssätt, som rapporterades i Naturmetoder den 5 september kan hjälpa forskare att utveckla effektivare cancerimmunterapier.

T-celler, en klass av immunceller, kryper längs och tränger sig förbi andra celler när de patrullerar kroppen, använder T-cellsreceptorer för att molekylärt läsa peptider, eller korta bitar av proteiner – som vaggas i större proteiner som kallas stora histokompatibilitetskomplex (pMHC) som skjuter ut från cellytor. Friska värdceller visar en rad pMHCs som inte utlöser ett immunsvar, men när T-celler känner igen sjukdomsindikerande peptider, aktiveras de för att hitta och döda celler som bär dessa främmande signaturer. Att förstå hur T-celler känsligt skiljer dessa antigena peptider från värdpeptider för att undvika att av misstag döda värdceller har länge varit ett mysterium.

"En T-cell kan upptäcka en enda antigen peptid bland ett hav av 10 000 eller 100 000 icke-antigena peptider som visas på cellytor", säger Fordyce, biträdande professor i bioteknik och genetik.

Nyckeln till selektivitet ligger i T-cellsgenomsökningen. T-cellers glidning sätter stress på bindningarna mellan receptorer och peptider, och i de flesta fall räcker den extra stressen för att bryta den bindningen. Men ibland har det motsatt effekt. Chris Garcia, medförfattare till studien och professor i molekylär och cellulär fysiologi och i strukturbiologi, och andra hade redan visat att de mest antigena peptiderna är de vars interaktioner med T-cellsreceptorer växer sig starkare som svar på glidning.

"Det är ungefär som en kinesisk fingerfälla," sa Fordyce. "När du drar lite i receptor-antigeninteraktionen varar bindningen faktiskt längre."

Cellulär mimik

Att identifiera de bästa antigen-receptorparen kräver att man samtidigt applicerar den glidande kraften mellan en peptid och en T-cell och mäter T-cellsaktivering, helst tusentals gånger för att få repeterbara data för många möjliga peptid/T-cellreceptorpar. Men befintliga metoder är tidskrävande och kan resultera i att endast en peptid mäts med hundratals T-celler på en dag.

Studiens första författare, postdoktorn Yinnian Feng, utvecklade ett trick som gör att teamet kan mäta 20 unika peptider som interagerar med tusentals T-celler på mindre än fem timmar.

För att göra ett förenklat system som efterliknar celler med dinglande peptider, konstruerade de små sfäriska pärlor av ett material som expanderar vid uppvärmning och fäste några molekyler av en given peptid-besatt pMHC till deras ytor. Efter att ha deponerat en T-cell ovanpå varje kula och väntat tillräckligt länge på att receptorer skulle binda till peptiderna, värmde de upp kulan mycket lätt. Pärlans expansion ökar avståndet mellan förankringspunkterna, och motsvarande sträckning av T-cellen efterliknar kraften som den skulle uppleva glida längs celler i kroppen. Efter att ha utövat den kraften mätte teamet hur aktiva T-cellerna var.

De kunde göra hundratals individuella experiment parallellt genom att använda pärlor som var och en är märkta med en unik färg, vilket gör det möjligt att spåra flera olika pMHCs. De tog två uppsättningar bilder som placerades över varje bild efter varje körning:en uppsättning som talar om för dem vilket pMHC en given pärla visar och en annan som talar om för dem hur aktiva varje T-cell ovanpå den pärlan är. Korsreferenser dessa bilder talar om för dem vilka antigener som ledde till de starkaste T-cellssvaren.

I denna demonstration av sin plattform visade teamet, med 21 unika peptider, att deras resultat bekräftade kända aktiverande och icke-aktiverande peptider för en T-cellsreceptor och avslöjade ett tidigare okänt antigen som inducerade ett starkt T-cellssvar. Genom att arbeta med Garcia-labbet har de också redan börjat ta itu med en utmaning inom immunterapi:T-cellsreceptorerna som bildar de högsta affinitetsinteraktionerna med antigener i labbet aktiveras ofta också av icke-antigeniska peptider i kroppen, en farlig biverkning som leder till att friska celler dödas. Med hjälp av sin teknologi karakteriserade teamet T-cellsreceptorer konstruerade för att specifikt känna igen tumörantigener utan reaktivitet utanför målet. I framtida arbete planerar de att bygga bibliotek med över 1 000 peptider för att avslöja nya antigener.

De hoppas att detta tillvägagångssätt, som är snabbt och kräver få celler, eller en optimerad form av det en dag kan användas för att förbättra personliga immunterapier.

"Den här plattformen kan hjälpa till att förbättra ansträngningarna för att konstruera T-celler som specifikt riktar sig mot cancerceller, samt bestämma vilka antigener som kan aktivera en patients egna T-celler för att mer effektivt rikta in sig mot cancerceller", säger Fordyce.

Fordyce är medlem i Stanford Bio-X, SPARK och Wu Tsai Neurosciences Institute och är en Chan Zuckerberg Biohub-utredare. Garcia är medlem i Stanford Bio-X, Stanford Cancer Institute, Wu Tsai Neurosciences Institute och en utredare från Howard Hughes Medical Institute. Xiang Zhao och Adam K. White är också författare till tidningen. + Utforska vidare

Omfattande tumörimmunitetskarta öppnar upp immunterapi för fler patienter