T-celler skyddar kroppen från främmande ämnen (så kallade antigener) och är en väsentlig komponent i kroppens immunsystem. Nya immunterapier som använder en patients egna T-celler för att behandla sjukdomar har redan visat sig slående effektiva vid behandling av vissa cancerformer, och cancerforskare runt om i världen tävlar om att förbättra dessa behandlingar och tillämpa dem mer brett.

Engagemanget mellan T-celler och antigener sätter igång immunsvaret, med kaskad av signaler inom T-cellen. Processen involverar en intrikat koreografi av receptorproteiner och deras ligander vid eller nära ytan av T-cellen och den antigenpresenterande cellen (APC).

Ett team av forskare, ledd av Columbia Engineering Applied Physicist Shalom J. Wind och Oxford University och NYU-Langone Medical Center-biolog Michael L. Dustin, har avslöjat den geometriska grunden för T-cellsutlösning genom den exakta konstruktionen av T-cellsreceptorgeometri i alla tre dimensioner. De använde nanotillverkning för att skapa en biomimetisk yta som simulerar nyckelfunktionerna hos APC. Denna yta presenterar T-cellsreceptorligander (molekyler som binder till och stimulerar receptorer på ytan av T-cellen) i en mängd olika geometriska arrangemang, med olika mellanligandmellanrum arrangerade i kluster av varierande storlek. Resultaten publiceras online idag Naturens nanoteknik .

"Våra resultat kan ha en betydande inverkan på området adoptiv immunterapi, som har märkt enastående framgångar nyligen vid behandling av vissa cancerformer, " säger Wind. "Vår nanoteknik har gjort det möjligt för oss att undersöka vilken roll geometrin spelar i T-cellstriggning med oöverträffad precision och kontroll. Vi blev mycket intresserade av att bestämma hur viktigt det geometriska arrangemanget av molekyler är för de tidiga stegen i T-cellstimulering, eftersom detta kan ge ny insikt i denna process och kan till och med erbjuda ett nytt sätt att kontrollera T-cellsaktivering."

Det nya framsteg i teamets nanotillverkade biomimetiska ytor, som var nyckeln till studien som publicerades idag, var utvecklingen av ett sätt att placera liganderna på "nanopedestals" på ytan, effektivt kontrollera avståndet mellan T-cellen och APC, samtidigt som man kontrollerar avståndet mellan de individuella liganderna. De tog också fram en teknik för att introducera andra molekyler som spelar en viktig roll i T-cell/APC-engagemanget och tillät dem att binda till varandra.

Kombinationen av dessa innovationer - den exakta geometriska kontrollen av ligandpositionen tillsammans med placeringen av liganderna på nanopedestalerna och möjliggör för de ytterligare molekylerna att spela sin vanliga roll - ledde till en slående upptäckt:en kraftig ökning av T-celler som utlöses när ligandavståndet minskade under 50 nm. Men denna tröskel dök upp endast när T-cellen separerades från ytan (eller APC-ytan) med cirka 23 nm, med hjälp av nanopedestals. Forskarna visade att detta var ett resultat som härrör från de rumsliga aspekterna av CD45, ett protein vars fysiologiska roll är att hämma T-cellsreceptoraktivering. Om T-cellen och APC är mycket nära varandra, sedan CD45, som är en "stor" molekyl, "pressas ut" från området, så att T-cellreceptoraktivering kan fortsätta. Med lite extra utrymme mellan cellerna, CD45 kan förhindra detta? om inte T-cellsreceptorliganderna är för nära varandra (mindre än 50 nm), i vilket fall, sidoavståndet pressar delvis ut CD45.

Rollen av CD45-uteslutning från T-cellreceptorn har varit ett hett ämne bland immunologiforskare:vissa tycker att det är ett absolut krav på receptorutlösande, medan andra säger att det bara spelar en del roll. "I vår studie, vi kunde inte bara observera en rumslig tröskel som visar att CD45-uteslutning är viktigt, men också att se att triggning kan ske även när CD45 inte är helt segregerad från T-cellsreceptorregionen, så länge avståndet är litet, säger Dustin, som är professor vid Kennedy Institute of Rheumatology. "Detta belyser inte bara frågan om uteslutning av CD45, men det antyder en funktionell roll för T-cellsreceptorpackning vid nära dimensioner."

Detta mycket tvärvetenskapliga projekt kombinerade bearbetning av halvledarenheter med cellulär biologi, ytkemi, och biokemi. Columbia-teamet, som inkluderade Michael Sheetz, som inkluderade Michael Sheetz, Emeritus professor i biologiska vetenskaper och biomedicinsk teknik och chef för Mechanobiology Institute of Singapore, kombinerat sin expertis, ta de verktyg och tekniker som ursprungligen utvecklades av halvledarindustrin för att tillverka transistorer och anpassa dem för att ta itu med viktiga frågor inom cellbiologi. Teamet har samarbetat inom cellulär geometri i nästan 15 år. De använder litografisk mönstring, tunnfilmsavlagring, och etsning för att skapa "chips" som är byggda på objektglas av mikroskop, snarare än kiselwafers. Med hjälp av de faciliteter som finns tillgängliga som en del av Columbia Nano Initiative, de har kunnat skapa godtyckliga mönster av individuella proteiner (mycket mindre än till och med de mest avancerade transistorelementen), med exakt kontroll över platsen för varje protein.

Dustin noterade, "Detta var ett fantastiskt samarbete, som biologer har kämpat med sätt att exakt kontrollera utrymmet mellan celler. Columbia -ingenjörerna utvecklade en metod för att effektivt "jacka upp" den levande T -cellen med 10 nm över en biomimetisk yta som utvecklats av NYU/Oxford -teamet. Dessa element samlades för att ta upp en grundläggande fråga av relevans för immunterapi. "

Resultaten som rapporteras idag kan ha viktiga tillämpningar inom adoptiv immunterapi och möjligen längre fram. Med den specifika kunskapen om de geometriska parametrarna som ligger bakom T-cellsreceptorutlösning, forskare skulle kunna förbättra vissa terapier genom att till exempel, designa nya chimära antigenreceptorer (som är grunden för CAR T-cellsterapi) med specifika geometriska egenskaper som optimerar terapeutiska resultat. Nanotillverkade ytor som de som används i detta arbete kan också användas för att förbättra både T-cellsexpansion och aktivering utanför kroppen, möjligen öka effektiviteten av denna typ av immunterapi och förkorta behandlingstiden.

"Det här arbetet är riktigt smart, säger Carl S. June, professor i immunterapi vid Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania, och en pionjär inom adoptiv T-cellsöverföringsterapi, som inte var involverad i studien. "De direkta bevisen för en icke-linjär roll som spelas in och ut ur membranets plan vid TCR (T-cellsreceptor) utlösande är ganska nya och har implikationer på designen av CAR T-celler. Detta tillvägagångssätt kan styra utvecklingen av CAR som skulle ha bättre diskriminering mellan tumörceller och normala celler som har lägre måltätheter."

Sheetz tillägger, "Denna teknik kan ha en mycket större roll när det gäller att ta itu med den allmänna frågan om hur avståndet mellan celler såväl som mellan celler och substrat kan påverka signalprocesser."

"Utöver vårt fokus på immunterapi, "Vind noter, "Detta arbete visar hur kraften i transistortillverkningsteknologi kan tillämpas på problem inom biomedicin. Att följa denna väg lovar att leda till mer spännande utvecklingar i framtiden."