Die Sprache der Immunantworten entschlüsseln

Fieber, Husten, Halsschmerzen – Symptome, die im Zeitalter von COVID-19 im Rampenlicht stehen – sind nur einige der verräterischen Anzeichen dafür, dass das Immunsystem unseres Körpers gegen einen unerwünschten Eindringling aktiv wird. Unabhängig davon, ob sie durch eine Infektion, ein Allergen oder einen Impfstoff ausgelöst werden, werden Immunantworten von einer komplexen Reihe zellulärer Prozesse angetrieben, die sich über mehrere Tage oder sogar Wochen abspielen können.

Über die übergreifenden Prozesse, die bei Immunantworten eine Rolle spielen, ist viel bekannt. Aber aufgrund der schieren Anzahl der beteiligten Variablen erweist sich die Bestimmung dessen, worauf man sich bei der Entwicklung von Behandlungen oder Impfstoffen konzentrieren sollte, als sehr ähnlich wie die Suche nach einer Nadel im Heuhaufen. Dies könnte sich nun ändern, dank einer neuen Studie von Forschern der McGill University und des US National Cancer Institute (NCI), die kürzlich in veröffentlicht wurde Wissenschaft. Es konzentrierte sich auf einen grundlegenden Prozess im Immunsystem: die Rolle von Proteinen, die als Zytokine bezeichnet werden, bei der Signalisierung und Auslösung von Körperreaktionen.

Die entscheidende Rolle der Boten

Unser Immunsystem wird oft als Kampf bezeichnet. Bestimmte kritische weiße Blutkörperchen (sogenannte T-Zellen) wandern durch den Blutkreislauf und das lymphatische System in das Gewebe und suchen nach Spuren von Mikroorganismen und anderen Eindringlingen, die als Antigene bekannt sind. Um zu vermeiden, dass gesunde Zellen wahllos angegriffen werden, zirkulieren T-Zellen, bis sie ein spezifisches Antigen erkennen; erst dann senden sie Botenstoffe in Form von Zytokinen aus, um ein Warnsystem zu aktivieren und zu signalisieren, dass nicht alles in Ordnung ist.

„Man könnte denken, dass es viele, sehr unterschiedliche Parameter in der Immunantwort gibt, die entscheidend sind – zum Beispiel kann die Anzahl der T-Zellen, die zur Bekämpfung der Eindringlinge produziert werden, oder die Anzahl der Eindringlinge (Antigene) selbst variieren“, erklärt Paul François , der Biophysiker von McGill, der das Datenanalyseteam leitete, zu dem auch McGill Physics Ph.D. Studenten François Bourassa und Thomas Rademaker. „Aber die große Überraschung ist, dass es wirklich auf die Antigenstärke ankommt.“

Knackende Zahlen helfen, das Wesentliche zu lokalisieren

Bisher war es schwierig, die Antigenstärke zu messen – wie effektiv ein Antigen T-Zellen zur Reaktion veranlasst – unabhängig von der Menge eines Antigens, das in einem bestimmten Experiment vorhanden ist.

Aber durch die Verwendung eines datengesteuerten Ansatzes und dank der entscheidenden Zusammenarbeit mit dem NCI konnten François und seine Kollegen das sehr variable Phänomen der Zytokinproduktion entschlüsseln, um eine zuverlässige Anzeige der Antigenstärke zu erhalten. Dies ist möglicherweise sehr nützlich, um vorherzusagen, wie gut ein Impfstoffkandidat oder ein Immuntherapeutikum wirken könnte.

Um dieses Phänomen im Detail zu untersuchen, entwickelten die NCI-Forscher unter der Leitung von Grégoire Altan-Bonnet eine Roboterplattform, um Dutzende von Experimenten gleichzeitig durchzuführen und T-Zellen verschiedenen Antigenen und Bedingungen auszusetzen. Sooraj Achar, ein Doktorand im Altan-Bonnet-Labor, optimierte das automatisierte System, um riesige Datenmengen in einem Bruchteil der Zeit zu sammeln, die für die Durchführung derselben Experimente von Hand gedauert hätte.

„Das Zusammenstellen einer umfassenden Karte der Dynamik von Zytokinen, die von T-Zellen in sehr unterschiedlichen Umgebungen erzeugt werden, stellt eine Herausforderung und eine Gelegenheit dar, um besser zu verstehen, wie T-Zellen die antigene Welt ‚sehen‘ und Immunantworten orchestrieren“, betonte Altan-Bonnet.

Die McGill-Teammitglieder verwendeten dann maschinelles Lernen, um die durch diese Experimente generierten Daten zu verarbeiten, und mathematische Modelle, um aussagekräftige Muster in den Daten zu erfassen. Diese datengesteuerte Modellierung enthüllte überraschend einfache Regeln im Kern dessen, was ansonsten wie ein hochkomplexer Prozess erscheinen könnte, der mehreren Variablen unterliegt.

Ein Spektrum von Immunreaktionen?

Die Analyse zeigte auch, dass die Muster der Zytokinfreisetzung Informationen über die Art des angetroffenen Antigens enthielten und sechs unterschiedliche zelluläre Reaktionen statt der drei normalerweise erkannten Typen unterschieden.

„Dies unterstützt die Idee, dass Immunantworten entlang eines Spektrums existieren und nicht als binärer Ein-Aus-Schalter“, fügt François hinzu. „Es kann verschiedene Ebenen der Immunantwort geben, die je nach Komplexität der Situation auf die richtige Alarmstufe eingestellt werden können.“

Dieses neue Verständnis wird wahrscheinlich Strategien für Immuntherapien verbessern, die auf T-Zellen beruhen, die so konstruiert sind, dass sie auf die Tumore eines Patienten abzielen.