Neue Methode zum schnelleren und genaueren Auffinden von Antigenen, die bestimmte Immunzellen auslösen

Die Geheimnisse einer Zelle können durch ihre Oberfläche preisgegeben werden, die mit Zehn- bis Hunderttausenden von Molekülen verziert ist, die Immunzellen helfen, Freund von Feind zu unterscheiden. Einige dieser hervorstehenden Moleküle sind Antigene, die das Immunsystem zum Angriff veranlassen, aber es kann für Wissenschaftler schwierig sein, diese Antigene im molekularen Wald zu identifizieren, die oft von Person zu Person unterschiedlich sind.

Ein Team von Stanford-Wissenschaftlern unter der Leitung von Polly Fordyce, Institute Scholar am Sarafan ChEM-H, hat eine neue Methode entwickelt, um schneller und genauer vorherzusagen, welche Antigene zu einer starken Immunantwort führen werden. Ihr Ansatz, der in berichtet wurde Naturmethoden am 5. September, könnte Wissenschaftlern helfen, wirksamere Krebsimmuntherapien zu entwickeln.

T-Zellen, eine Klasse von Immunzellen, kriechen entlang und quetschen sich an anderen Zellen vorbei, während sie durch den Körper patrouillieren, indem sie T-Zell-Rezeptoren verwenden, um Peptide oder kurze Proteinstücke molekular zu lesen – die in größeren Proteinen eingeschlossen sind, die als Haupthistokompatibilitätskomplexe (pMHCs) bezeichnet werden. die aus Zelloberflächen herausragen. Gesunde Wirtszellen weisen eine Reihe von pMHCs auf, die keine Immunantwort auslösen, aber sobald T-Zellen krankheitsanzeigende Peptide erkennen, werden sie aktiviert, um Zellen zu finden und abzutöten, die diese fremden Signaturen tragen. Es war lange Zeit ein Rätsel, zu verstehen, wie T-Zellen diese antigenen Peptide empfindlich von Wirtspeptiden unterscheiden, um zu vermeiden, dass Wirtszellen irrtümlicherweise getötet werden.

„AT-Zellen können ein einzelnes antigenes Peptid in einem Meer von 10.000 oder 100.000 nicht-antigenen Peptiden erkennen, die auf Zelloberflächen präsentiert werden“, sagte Fordyce, Assistenzprofessor für Bioengineering und Genetik.

Der Schlüssel zur Selektivität liegt im Crawlen der T-Zellen. Das Gleiten der T-Zellen belastet die Bindungen zwischen Rezeptoren und Peptiden, und in den meisten Fällen reicht dieser zusätzliche Stress aus, um diese Bindung zu brechen. Aber manchmal hat es den gegenteiligen Effekt. Chris Garcia, Co-Autor der Studie und Professor für Molekular- und Zellphysiologie und Strukturbiologie, und andere hatten bereits gezeigt, dass die antigenesten Peptide diejenigen sind, deren Wechselwirkungen mit T-Zell-Rezeptoren als Reaktion auf das Gleiten stärker werden.

„Es ist eine Art chinesische Fingerfalle“, sagte Fordyce. „Wenn man etwas an der Rezeptor-Antigen-Interaktion zieht, hält die Bindung tatsächlich länger an.“

Zelluläre Mimikry

Die Identifizierung der besten Antigen-Rezeptor-Paare erfordert die gleichzeitige Anwendung dieser Gleit- oder Scherkraft zwischen einem Peptid und einer T-Zelle und die Messung der T-Zell-Aktivierung, idealerweise tausende Male, um wiederholbare Daten für viele mögliche Peptid/T-Zell-Rezeptor-Paare zu erhalten. Bestehende Methoden sind jedoch zeitintensiv und können dazu führen, dass an einem Tag nur ein Peptid mit Hunderten von T-Zellen gemessen wird.

Der Erstautor der Studie, Postdoktorand Yinnian Feng, entwickelte einen Trick, der es dem Team ermöglicht, 20 einzigartige Peptide zu messen, die in weniger als fünf Stunden mit Tausenden von T-Zellen interagieren.

Um ein vereinfachtes System herzustellen, das Zellen mit baumelnden Peptiden nachahmt, konstruierten sie kleine kugelförmige Kügelchen aus einem Material, das sich beim Erhitzen ausdehnt, und befestigten einige Moleküle eines bestimmten, mit Peptiden besetzten pMHC an ihren Oberflächen. Nachdem sie eine T-Zelle auf jede Perle aufgetragen und lange genug gewartet hatten, bis die Rezeptoren an die Peptide binden konnten, erhitzten sie die Perle ganz leicht. Die Ausdehnung der Perle vergrößert den Abstand zwischen den Haltepunkten, und die entsprechende Dehnung der T-Zelle ahmt die Kraft nach, die sie erfahren würde, wenn sie entlang der Zellen im Körper gleitet. Nachdem sie diese Kraft ausgeübt hatten, maß das Team dann, wie aktiv die T-Zellen waren.

Sie könnten Hunderte von einzelnen Experimenten parallel durchführen, indem sie Kügelchen verwenden, die jeweils mit einer eindeutigen Farbe gekennzeichnet sind, wodurch es möglich wird, mehrere verschiedene pMHCs zu verfolgen. Sie machten zwei Sätze von Bildern, die nach jedem Lauf über jede Folie verteilt waren: ein Satz, der ihnen mitteilte, welches pMHC eine bestimmte Perle anzeigte, und ein weiterer, der ihnen mitteilte, wie aktiv jede T-Zelle auf dieser Perle ist. Durch Querverweise auf diese Bilder erfahren sie, welche Antigene zu den stärksten T-Zell-Antworten führten.

In dieser Demonstration ihrer Plattform zeigte das Team mit 21 einzigartigen Peptiden, dass ihre Ergebnisse bekannte aktivierende und nicht-aktivierende Peptide für einen T-Zell-Rezeptor bestätigten und ein bisher unbekanntes Antigen aufdeckten, das eine starke T-Zell-Antwort auslöste. In Zusammenarbeit mit dem Garcia-Labor haben sie auch bereits damit begonnen, eine Herausforderung in der Immuntherapie anzugehen: Die T-Zell-Rezeptoren, die im Labor die Wechselwirkungen mit der höchsten Affinität zu Antigenen bilden, werden oft auch durch nicht-antigene Peptide im Körper aktiviert, eine gefährliche Nebenwirkung was zum Absterben gesunder Zellen führt. Mit ihrer Technologiecharakterisierte das Team T-Zell-Rezeptoren, die entwickelt wurden, um spezifisch Tumorantigene ohne Off-Target-Reaktivität zu erkennen. In zukünftigen Arbeiten planen sie den Aufbau von Bibliotheken mit über 1.000 Peptiden, um neue Antigene aufzudecken.

Sie hoffen, dass dieser schnelle und zellarme Ansatz oder eine optimierte Form davon eines Tages zur Verbesserung personalisierter Immuntherapien eingesetzt werden könnte.

„Diese Plattform kann dazu beitragen, die Bemühungen zur Entwicklung von T-Zellen zu verbessern, die spezifisch auf Krebszellen abzielen, sowie zu bestimmen, welche Antigene in der Lage sind, die eigenen T-Zellen eines Patienten wirksam zu aktivieren, um Krebszellen effektiver anzugreifen“, sagte Fordyce.

Fordyce ist Mitglied von Stanford Bio-X, SPARK und dem Wu Tsai Neurosciences Institute und Ermittler von Chan Zuckerberg Biohub. Garcia ist Mitglied von Stanford Bio-X, dem Stanford Cancer Institute, dem Wu Tsai Neurosciences Institute und Prüfarzt am Howard Hughes Medical Institute. Xiang Zhao und Adam K. White sind ebenfalls Autoren des Artikels.