Wie Immunzellen Antigene von Oberflächen reißen, um zu lernen und sich weiterzuentwickeln

Die meisten Zellen entwickeln sich langsam und akkumulieren inkrementelle Änderungen, die besser zu ihrer Umgebung passen. Immunzellen entwickeln sich viel schneller, weil sie sich schnell anpassen müssen, um neuen Bedrohungen zu begegnen. Ein Teil davon, berichten UCLA-Physiker jetzt, beruht auf ihrer Fähigkeit, Antigene gewaltsam von den Oberflächen anderer Zellen zu lösen und sie zu „untersuchen“.

Durch den Einsatz dieser Art mechanischer Kraft können die B-Zellen des Immunsystems, die Antikörper bilden, die schädliche Krankheitserreger wie Viren, Bakterien und Parasiten abwehren, indem sie auf ihre Antigene abzielen, die Eigenschaften bestimmter Antigene besser einschätzen und vergleichen, welche Zelltypen darunter sind die B-Zellpopulation erkennt und reagiert am effizientesten auf jedes Antigen und produziert mehr dieser Zellen.

Die Entdeckung, dass Immunzellen neben biochemischen Signalen auch mechanische Kraft nutzen, um ihre eigene Evolution aktiv und bewusst voranzutreiben, fügt den Studien zum Lernen und Gedächtnis des Immunsystems ein neues Paradigma hinzu, sagte Shenshen Wang, Assistenzprofessor für Physik und Physik an der UCLA Astronomie und korrespondierender Autor der Forschung.

„Wir haben gezeigt, dass sich schnell entwickelnde Immunzellen den Tastsinn nutzen, indem sie aktive Zugkräfte anwenden, um mehr über ihre antigenen Ziele zu erfahren und sich selbst einzustufen“, sagte Wang. „Eine solche aktive physikalische Wahrnehmung ermöglicht es dem Repertoire der Immunzellen, effektiv auf aktuelle Herausforderungen zu reagieren und gleichzeitig plastisch und anpassungsfähig gegenüber zukünftigen Bedrohungen zu sein.“

Dass Zellen äußere physikalische Kräfte wahrnehmen und darauf reagieren, ist seit langem ein Eckpfeiler der Biologie. Aber das Wissen, dass sie ihre eigenen physikalischen Kräfte erzeugen, um Signale zu empfangen, ist neu, mit evolutionären Konsequenzen, die bisher nicht erforscht wurden. Wang sagte, die Ergebnisse könnten Wissenschaftlern dabei helfen, herauszufinden, wie sie die Evolution des Immunsystems lenken können, indem sie eine Reihe von Impfstoffen entwerfen, die ihm helfen, die wichtigsten Merkmale verschiedener Antigene zu identifizieren und zu codieren. Ein so getuntes Immunsystem könnte zum Beispiel ein Virus, dem es noch nie begegnet ist, viel schneller erkennen und neutralisieren.

Die Forschung wird in zwei Zeitschriftenartikeln veröffentlicht. In Proceedings of the National Academy of SciencesWang und ihre Co-Autorin, die UCLA-Physik-Doktorandin Hongda Jiang, beschreiben, wie B-Zellen Antigene aus den Antigen-präsentierenden Zellen ziehen, an die sie gebunden sind, und mechanischen Stress erzeugen, der sich durch verbundene Zelloberflächen ausbreitet und die Energieverteilung an der Zelle verändert Punkte, an denen sich Zellen berühren.

Selbst wenn die Versuche von B-Zellen, ein Antigen aus einer besonders steifen Antigen-präsentierenden Zelle zu extrahieren, nicht erfolgreich sind, stellen Wang und Jiang fest, dass der Prozess das B-Zellen-Lernen immer noch verbessert. Noch wichtiger ist, dass die Verformung der verbundenen Struktur durch mechanische Kraft die Zeitspanne verlängert, in der sich Immunzellen an das Gelernte „erinnern“ können, und die Bandbreite der Antigene, die sie erkennen können, erweitert. Und wenn mit der Zeit stärker gezogen wird, erweitert sich der Erfassungsbereich deutlich.

In einem Artikel, der zur Veröffentlichung in der Open-Access-Zeitschrift angenommen wurde Körperliche Überprüfung X, sprechen Wang und Jiang ein Immunzellen-Dilemma an: Wie der begrenzte Satz von Immun-B-Zellen des Körpers ein Gleichgewicht zwischen der Reaktion mit ausreichender Stärke auf Antigene, denen sie bereits begegnet sind, und der Fähigkeit, Krankheitserreger zu erkennen, die sie noch nie zuvor gesehen haben, erreicht. Die neue Forschung zeigt, dass die durch mechanische Kraft getriebene Evolution der B-Zellen die Gedächtnisvielfalt verbessert und der natürlichen Immunität ein größeres Anpassungspotenzial verleiht, indem sie die Stärke der Reaktion auf Antigene mit der Breite der Abdeckung in Einklang bringt.

Durch die Öffnung einer Vielzahl biophysikalischer Wege zur Verbesserung der Antigenerkennungsfähigkeit gibt dieser aktive Prozess der natürlichen Immunität des Körpers mehr Möglichkeiten, sich an neue Mutanten und zukünftige Varianten anzupassen. Die Autoren schreiben, dass der Prozess Hand in Hand mit biomechanischer Sensorik und biochemischer Signalgebung arbeitet, um flinke Immunsysteme zu produzieren, die sich schnell entwickeln können, um mit neuen Herausforderungen fertig zu werden.

„Wir schlagen ein neues Paradigma der biologischen Erkennung durch physikalische Erfassung von Reizen vor, das die derzeitige Sichtweise ergänzen könnte, die sich auf biochemische Signale konzentriert“, sagte Wang. „Inzwischen bietet es einen neuen Blickwinkel für das Verständnis der biologischen Anpassung angesichts physikalischer Einflüsse auf die Evolution. Unsere Ergebnisse haben weitreichende Auswirkungen auf das Verständnis des biologischen Lernens und auf die physikalische Steuerung der adaptiven Evolution im Allgemeinen und der Immunantwort im Besonderen.“