Compuesto de una micrografía electrónica de barrido y una imagen de inmunofluorescencia que muestra una célula T (SEM) en una serie de grupos de ligandos del receptor de células T, rojo con etiqueta fluorescente. La señal fluorescente verde proviene de la fosforilación de un componente del receptor de células T, que indica que se ha producido el desencadenamiento (es decir, la célula T ha sido estimulada). Crédito:Haogang Cai / Columbia Engineering
Las células T protegen al cuerpo de sustancias extrañas (conocidas como antígenos) y son un componente esencial del sistema inmunológico del cuerpo. Las nuevas inmunoterapias que utilizan las propias células T de un paciente para tratar enfermedades ya han demostrado ser sorprendentemente efectivas en el tratamiento de algunos cánceres. y los investigadores del cáncer de todo el mundo están compitiendo para mejorar estos tratamientos y aplicarlos de manera más amplia.
El compromiso entre las células T y los antígenos desencadena la respuesta inmune, con cascada de señales dentro de la célula T. El proceso implica una intrincada coreografía de proteínas receptoras y sus ligandos en o cerca de la superficie de la célula T y la célula presentadora de antígeno (APC).
Un equipo de investigadores, dirigido por el físico de ingeniería aplicada de Columbia Shalom J. Wind y el biólogo Michael L. Dustin de la Universidad de Oxford y del NYU-Langone Medical Center, ha revelado los fundamentos geométricos de la activación de células T a través de la ingeniería precisa de la geometría del receptor de células T en las tres dimensiones. Utilizaron la nanofabricación para crear una superficie biomimética que simula las características clave del APC. Esta superficie presenta ligandos de receptores de células T (moléculas que se unen y estimulan receptores en la superficie de la célula T) en una variedad de arreglos geométricos diferentes. con diferentes espaciamientos entre ligandos dispuestos en grupos de tamaño variable. Los hallazgos se publican hoy en línea en Nanotecnología de la naturaleza .
"Nuestros resultados podrían tener un impacto significativo en el campo de la inmunoterapia adoptiva, que ha tenido un éxito notable recientemente en el tratamiento de ciertos cánceres, ", dice Wind." Nuestro enfoque de nanoingeniería nos ha permitido investigar el papel que desempeña la geometría en la activación de las células T con una precisión y un control sin precedentes. Nos interesó mucho determinar qué tan importante es la disposición geométrica de las moléculas para los primeros pasos en la estimulación de las células T, porque esto podría proporcionar una nueva perspectiva de este proceso e incluso podría ofrecer una nueva forma de controlar la activación de las células T ".
El nuevo avance en las superficies biomiméticas nanofabricadas del equipo, que fue clave para el estudio publicado hoy, fue el desarrollo de una forma de colocar los ligandos en "nanopedestales" en la superficie, controlando eficazmente la distancia entre la célula T y la APC, mientras que al mismo tiempo se controla el espaciamiento entre los ligandos individuales. También idearon una técnica para introducir otras moléculas que desempeñan un papel importante en el compromiso de las células T / APC y les permitieron unirse entre sí.
La combinación de estas innovaciones (el control geométrico preciso de la posición del ligando junto con la colocación de los ligandos en los nanopedestales y permitiendo que las moléculas adicionales desempeñen su función habitual) condujo a un descubrimiento sorprendente:un fuerte aumento de la activación de las células T cuando disminuyó el espaciamiento de los ligandos. por debajo de 50 nm. Pero este umbral apareció solo cuando la célula T se separó de la superficie (o superficie APC) por aproximadamente 23 nm, utilizando los nanopedestales. Los investigadores demostraron que este era un resultado derivado de los aspectos espaciales de CD45, una proteína cuya función fisiológica es inhibir la activación del receptor de células T. Si la célula T y la APC están muy juntas, luego CD45, que es una molécula "grande", está "exprimido" del área, permitiendo que proceda la activación del receptor de células T. Con algo de espacio adicional entre las celdas, CD45 puede prevenir esto, a menos que los ligandos del receptor de células T estén demasiado cerca uno del otro (menos de 50 nm), en ese caso, el espaciado lateral exprime parcialmente el CD45.
Micrografía electrónica de barrido en color falso de una célula T (verde) en una serie de grupos de ligandos del receptor de células T (no visibles) unidos a nanopartículas de oro-paladio (oro, hay siete en cada grupo). Filopodia (extensiones celulares) se extiende y contacta a los grupos directamente. Crédito:Haogang Cai / Columbia Engineering
El papel de la exclusión de CD45 del receptor de células T ha sido un tema candente entre los investigadores de inmunología:algunos piensan que es un requisito absoluto para la activación del receptor, mientras que otros dicen que juega solo un papel parcial. "En nuestro estudio, pudimos no solo observar un umbral espacial que muestra que la exclusión de CD45 es importante, sino también para ver que la activación puede tener lugar incluso cuando CD45 no está completamente segregado de la región del receptor de células T, siempre que el espaciado sea pequeño, "dice Dustin, quien es profesor en el Instituto Kennedy de Reumatología. "Esto no solo arroja una luz importante sobre la cuestión de la exclusión de CD45, pero sugiere un papel funcional para el empaquetamiento del receptor de células T en dimensiones cercanas ".
Este proyecto altamente interdisciplinario combinó el procesamiento de dispositivos semiconductores con la biología celular, química de superficie, y bioquímica. El equipo de Columbia, que incluía a Michael Sheetz, que incluía a Michael Sheetz, Profesor emérito de Ciencias Biológicas e Ingeniería Biomédica y Director del Instituto de Mecanobiología de Singapur, combinado su experiencia, tomando las herramientas y técnicas desarrolladas originalmente por la industria de los semiconductores para fabricar transistores y adaptándolas para abordar cuestiones importantes en biología celular. El equipo ha estado colaborando en la detección de geometría celular durante casi 15 años. Utilizan patrones litográficos, deposición de película fina, y grabado para crear "chips" que se construyen en portaobjetos de microscopio, en lugar de obleas de silicio. Utilizando las instalaciones disponibles como parte de la iniciativa Columbia Nano, han podido crear patrones arbitrarios de proteínas individuales (mucho más pequeñas que incluso los elementos de transistores más avanzados), con un control preciso sobre la ubicación de todas y cada una de las proteínas.
Dustin señaló, "Esta fue una gran colaboración, ya que los biólogos han luchado con formas de controlar con precisión el espacio entre las células. Los ingenieros de Columbia desarrollaron un método para "elevar" eficazmente las células T vivas en 10 nm sobre una superficie biomimética desarrollada por el equipo de NYU / Oxford. Estos elementos se unieron para abordar una cuestión fundamental de relevancia para la inmunoterapia ".
Los resultados informados hoy pueden tener aplicaciones importantes en la inmunoterapia adoptiva y posiblemente más allá. Con el conocimiento específico de los parámetros geométricos que subyacen a la activación del receptor de células T, los investigadores podrían mejorar algunas terapias al, por ejemplo, diseñar nuevos receptores de antígenos quiméricos (que son la base de la terapia con células T con CAR) con características geométricas específicas que optimizan los resultados terapéuticos. Las superficies nanofabricadas como las que se usan en este trabajo también podrían usarse para mejorar tanto la expansión como la activación de las células T fuera del cuerpo. posiblemente aumentando la eficacia de este tipo de inmunoterapia y acortando el tiempo de tratamiento.
"Este trabajo es realmente inteligente, "dice Carl S. June, profesor de inmunoterapia en la Escuela de Medicina Perelman, Universidad de Pennsylvania, y un pionero de la terapia adoptiva de transferencia de células T, que no participó en el estudio. "La evidencia directa de un papel no lineal dentro y fuera del plano de la membrana en la activación del TCR (receptor de células T) es bastante nueva y tiene implicaciones en el diseño de las células CAR T. Este enfoque podría orientar el desarrollo de CAR que tendrían una mejor discriminación entre las células tumorales y las células normales que tienen menores densidades de diana ".
Sheetz agrega, "Esta tecnología puede tener un papel mucho más importante al abordar el problema general de cómo el espaciamiento entre células, así como entre células y sustratos, puede afectar los procesos de señalización".
"Más allá de nuestro enfoque en la inmunoterapia, "Notas de viento, "Este trabajo muestra cómo el poder de la tecnología de fabricación de transistores se puede aplicar a problemas en biomedicina. Seguir este camino promete conducir a desarrollos más interesantes en el futuro".
