Наша иммунная система воссоздана на чипе для изучения эффективности вакцин
Вакцины вновь оказались в центре внимания ученых во время пандемии COVID-19. Однако наши знания о нашей иммунной системе и задействованных в ней механизмах все еще ограничены, несмотря на неоспоримые успехи. Однако различия в том, как организмы (разных людей) реагируют на один и тот же вирус, делают, например, разработку вакцины особенно трудной. Почему при заражении SARS-CoV-2 у одних людей нет никаких симптомов, а другие страдают от высокой температуры и ломоты в теле? Исследователи из Гарвардского института Wyss создали более точную модель иммунной системы человека в микрожидкостном чипе, обеспечив лучшую платформу для изучения того, как иммунные клетки реагируют на вакцины и патогены.
Новые вакцины и иммунотерапевтические препараты в настоящее время изучаются на животных моделях, что может привести к неожиданной токсичности или низкой эффективности в клинических испытаниях на людях из-за видовых различий в иммунных реакциях. Хотя доклинические эксперименты можно проводить in vitro, используя иммунные клетки человека из крови, даже эти результаты часто не позволяют предсказать реакцию пациентов.
Одна из основных причин этой неудачи заключается в том, что иммунные ответы in vivo обычно происходят в высокоспециализированном тканевом микроокружении лимфоидных фолликулов. Это небольшие участки ткани, содержащие В- и Т-клетки, которые вместе инициируют каскад событий, приводящих к полному иммунному ответу при воздействии специфического антигена. Обычно они существуют во вторичных лимфоидных органах, таких как лимфатические узлы. Но они могут образовываться эктопически (в других органах) в результате воспаления. Именно понимание этого адаптивного иммунного ответа стоит на кону при разработке вакцин или иммунотерапии для людей. Как мы можем получить доступ к этим механизмам, которые зависят от окружающих тканей?
В последние годы ученые разработали способ моделирования органов и других тканей организма в микрожидкостных чипах, которые позволяют проводить гораздо более тщательное сравнение. Микрожидкостный чип - это набор микроканалов, вытравленных или отформованных в материале (стекло, кремний или полимер). Микроканалы связаны между собой для выполнения определенной функции (сортировка, перекачка, смешивание и т.д.). Эти "органы на чипах" до сих пор включали сердце, легкие, кишечник, почки, селезенку, роговицу, зубы и плаценту.
Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов Министерства обороны США, отвечающее за исследования и разработку новых технологий для использования в военных целях, поддержало разработку инструмента, который плавно связывает несколько органов на чипах для создания тела на кристалле. Последнее должно позволять изучать влияние лекарств на несколько систем органов одновременно. Недавно исследователи из Института биологической инженерии Висса при Гарвардском университете, также поддерживаемые Министерством обороны США, добавили иммунную систему в список этих OOC. Их исследование опубликовано в журнале .
Неожиданное открытие
До этого технологического достижения команда Гойала просто хотела изучить, как В- и Т-лимфоциты, циркулирующие в крови, меняют свое поведение, попадая в ткань. Для этого они выращивали эти иммунные клетки из образцов человеческой крови внутри микрожидкостного устройства, созданного для имитации физических условий, с которыми они сталкиваются, когда достигают органа.
Но когда исследователи ввели поток питательных веществ, они обнаружили нечто неожиданное. В- и Т-клетки начали организовываться в трехмерные структуры, напоминающие лимфоидные фолликулы, и, более конкретно, они стали формировать герминальные центры, которые осуществляют сложные иммунные реакции.
Гойал, иммунолог из Института Wyss и ведущий автор исследования, говорит в своем заявлении: "Это было настолько неожиданно, что мы полностью отказались от первоначального эксперимента и сосредоточились на этом открытии".
Исследуя образовавшиеся структуры, они смогли заметить, что те выделяют химическое вещество под названием CXCL13. Оно вырабатывается лимфоидными фолликулами в ответ на хроническое воспаление. Кроме того, В-клетки внутри структур экспрессировали фермент, называемый активационно-индуцированной цитидиндеаминазой (AID), который необходим для активации В-клеток против специфических антигенов. Этот фермент не присутствует в циркулирующих в крови В-клетках. Ни CXCL13, ни AID не присутствовали в клетках, выращенных вне этих массивов, что говорит о том, что ученым действительно удалось создать функциональные лимфоидные фолликулы из циркулирующих клеток крови.
Они также обнаружили плазматические клетки, в которых зрелые В-клетки дифференцируются для секреции антител, после применения нескольких стимулов, таких как комбинация цитокина IL-4 и анти-CD40 антитела, или мертвые бактерии.
Пранав Прабхала, технический специалист Института Wyss и соавтор статьи, говорит: "Эти результаты были особенно интересными, поскольку они подтвердили, что у нас есть рабочая модель, которую можно использовать для раскрытия некоторых сложных аспектов иммунной системы человека, включая ее реакцию на многие виды патогенов".
Инструмент для прогнозирования эффективности вакцин
Во-вторых, получив функциональную модель лимфоидного фолликула, способную вызывать иммунный ответ, они попытались выяснить, как он будет реагировать на вакцинацию. Поэтому команда добавила дендритные клетки. В организме они помогают вырабатывать антигены, представляя фрагменты патогенов лимфатическим узлам. Затем они вакцинировали эту иммунную систему-на-чипе против штамма гриппа H5N1 либо отдельно, либо с адъювантом, называемым SWE, который, как известно, стимулирует иммунный ответ на вакцину. Чипы, получившие вакцину и адъювант, произвели значительно больше плазматических клеток и антител к гриппу, чем те, которые были выращены в обычной культуральной посуде, и даже по сравнению с теми, кто получил только вакцину без адъюванта.
Это указывает на то, что эти микрожидкостные массивы лимфоидных фолликулов близко соответствуют реальности. Они могут стать моделью, более похожей на человеческое тело, для будущих исследований иммунной системы и разработки лекарств.
В настоящее время исследователи Wyss используют чипы лимфоидных фолликулов для тестирования различных вакцин и адъювантов в сотрудничестве с фармацевтическими компаниями и Фондом Гейтса.