Pour citer les mots simples mais extrêmement précis de l’écrivain scientifique vétéran Ed Yong L’Atlantique, « Le système immunitaire est très compliqué. » Comme l’a clairement montré la pandémie de COVID-19, la science ne comprend toujours pas pleinement les mécanismes de défense sophistiqués qui nous protègent des envahisseurs microbiens. Pourquoi certaines personnes ne présentent-elles aucun symptôme lorsqu’elles sont infectées par le SRAS-CoV-2, tandis que d’autres souffrent de fièvre sévère et de courbatures ? Pourquoi certaines tempêtes de cytokines endogènes succombent-elles ? Nous n’avons toujours pas de réponses précises à ces questions.
Cependant, grâce à un groupe de chercheurs du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l’Université de Harvard, les scientifiques d’aujourd’hui disposent désormais d’un nouvel outil pour les aider à percer les mystères du système immunitaire. Ils ont cultivé des cellules B et T humaines dans une puce d’organe microfluidique et les ont amenées à former spontanément des follicules lymphoïdes fonctionnels – des structures trouvées dans les ganglions lymphatiques et d’autres parties du corps humain qui interviennent dans les réponses immunitaires. Ils sont constitués de différentes chambres qui abritent des cellules B et des cellules T «naïves», qui, ensemble, déclenchent la cascade d’événements qui conduisent à une réponse immunitaire à part entière lorsqu’elles sont exposées à un antigène spécifique.
Ces puces de follicule lymphatique (LF) permettent non seulement aux chercheurs d’étudier le fonctionnement normal du système immunitaire, mais peuvent également être utilisées pour prédire les réponses immunitaires à différents vaccins et aider à sélectionner les meilleurs vaccins, une amélioration significative par rapport aux modèles précliniques existants. Des modèles tels que cellules dans comporte une cour et des primates non humains. Le succès sera signalé dans aujourd’hui Sciences avancées.
«Les animaux ont été les modèles de recherche de référence pour développer et tester de nouveaux vaccins, mais leur système immunitaire est très différent du nôtre et ne prédit pas avec précision comment les humains y répondront. Notre puce LF offre un moyen de modéliser la chorégraphie complexe de la personne réponses immunitaires à l’infection et à la vaccination et pourraient accélérer considérablement le rythme et la qualité du développement de vaccins à l’avenir », a déclaré le premier auteur Girija Goyal, Ph.D., scientifique principal à l’Institut Wyss.
Une découverte fortuite
Comme beaucoup de grandes découvertes scientifiques, le projet de puce LF est le résultat d’un heureux accident de laboratoire. Goyal et d’autres scientifiques de l’Institut Wyss voulaient étudier comment les cellules B et T circulant dans le sang modifieraient leur comportement une fois qu’elles envahissaient un tissu. Ils ont donc obtenu ces cellules à partir d’échantillons de sang humain et les ont cultivées dans un organe microfluidique – Dispositif à puce pour reproduire le conditions physiques qu’ils connaîtraient s’ils rencontraient un organe.
Lorsque les cellules ont été placées dans l’un des deux canaux à l’intérieur de l’appareil, rien de remarquable ne s’est produit – mais lorsque les chercheurs ont commencé le flux de milieu de culture à travers l’autre canal pour nourrir les cellules, ils ont été surpris de voir que c’était B- et T les cellules ont commencé à s’organiser spontanément au sein de la puce d’organe en structures 3D ressemblant à des «centres germinatifs» – des structures au sein des FL où se produisent des réponses immunitaires complexes. « C’était tellement inattendu que nous avons complètement tourné le dos à l’expérience originale et nous nous sommes concentrés sur la découverte de ce qu’ils étaient », a déclaré Goyal.
Lorsque les chercheurs ont commencé à étudier les structures mystérieuses qui s’étaient formées à l’intérieur de la puce d’organe dans des conditions d’écoulement, ils ont découvert que les cellules sécrétaient un produit chimique appelé CXCL13. CXCL13 est une caractéristique de la formation de FL, à la fois dans les ganglions lymphatiques et dans d’autres parties du corps en réponse à une inflammation chronique, comme dans le cancer et les maladies auto-immunes.
L’équipe a également découvert que les lymphocytes B dans les FL qui s’auto-assemblent sur la puce exprimaient également une enzyme appelée cytidine désaminase induite par l’activation (AID), qui est essentielle pour activer les lymphocytes B contre des antigènes spécifiques et se trouve dans les lymphocytes B, qui sont là, ne circule pas dans le sang.
Ni CXCL13 ni AID n’étaient présents dans les cellules cultivées dans une boîte 2D standard, ce qui suggère que les scientifiques avaient en effet réussi à générer des LF fonctionnels à partir de cellules sanguines en circulation.
Dans les FL du corps humain, les cellules B activées mûrissent et se différencient en plusieurs types de cellules descendantes, y compris les plasmocytes, qui sécrètent de grandes quantités d’anticorps contre un agent pathogène spécifique. L’équipe a détecté la présence de plasmocytes dans les puces LF après avoir appliqué plusieurs stimuli utilisés en laboratoire pour activer les lymphocytes B, tels que : B. la combinaison de la cytokine IL-4 et d’un anticorps anti-CD40 ou d’une bactérie morte. Remarquablement, les plasmocytes étaient concentrés en grappes dans les FL, car ils seraient invivo.
« Ces résultats étaient particulièrement excitants car ils ont confirmé que nous disposions d’un modèle de travail qui pourrait être utilisé pour démêler certaines des complexités du système immunitaire humain, y compris ses réponses à plusieurs types d’agents pathogènes », a déclaré Pranav Prabhala, ingénieur au Wyss Institute. et deuxième auteur de l’ouvrage.
Prédire l’efficacité d’un vaccin sur une puce
Maintenant que les scientifiques disposaient d’un modèle LF fonctionnel capable d’initier une réponse immunitaire, ils ont cherché à savoir si leur puce LF pouvait être utilisée pour répliquer et étudier la réponse du système immunitaire humain aux vaccins.
Dans le corps humain, la vaccination amène des cellules spéciales appelées cellules dendritiques à absorber l’agent pathogène injecté et à migrer vers les ganglions lymphatiques, où elles en présentent des fragments à leur surface. Là, ces cellules présentatrices d’antigène activent les cellules B à l’aide de cellules T locales dans la FL, provoquant la différenciation des cellules B en plasmocytes qui produisent des anticorps contre l’agent pathogène. Pour reproduire ce processus, les chercheurs ont ajouté des cellules dendritiques aux puces LF ainsi que des cellules B et T de quatre donneurs humains différents. Ils ont ensuite inoculé les puces avec un vaccin contre la souche grippale H5N1 ainsi qu’un adjuvant appelé SWE, connu pour stimuler la réponse immunitaire au vaccin.
Les puces LF qui ont reçu le vaccin et l’adjuvant ont produit significativement plus de plasmocytes et d’anticorps antigrippaux que les cellules B et T cultivées dans des cultures 2D ou les puces LF qui ont reçu le vaccin, mais pas celles qui ont reçu l’adjuvant.
L’équipe a ensuite répété l’expérience en utilisant des cellules de huit donneurs différents, cette fois en utilisant le Fluzone disponible dans le commerce? Vaccin contre la grippe qui protège contre trois souches différentes du virus chez l’homme. Là encore, les plasmocytes et les anticorps antigrippaux étaient présents en nombre significatif dans les puces LF traitées. Ils ont également mesuré les niveaux de quatre cytokines dans les puces LF inoculées qui sont connues pour être sécrétées par des cellules immunitaires activées et ont constaté que les niveaux de trois d’entre eux (IFN-α, IL-10 et IL-2) étaient similaires à ceux trouvés. dans le sérum des personnes vaccinées avec Fluzone?.
Les chercheurs de Wyss utilisent désormais leurs puces LF pour tester divers vaccins et adjuvants en collaboration avec des sociétés pharmaceutiques et la Fondation Gates.
« La vague d’efforts de développement de vaccins déclenchée par la pandémie de COVID-19 a été impressionnante par sa rapidité, mais l’augmentation de la demande a soudainement rendu les modèles animaux traditionnels rares. La puce LF offre un modèle moins cher, plus rapide et plus prévisible pour étudier les réponses immunitaires humaines à l’infection et aux vaccins, et nous espérons que cela rationalisera et améliorera le développement de vaccins contre de nombreuses maladies à l’avenir », a déclaré l’auteur correspondant Donald Ingber, MD, Ph.D., le directeur fondateur de l’Institut Wyss et le Judah Folkman Professeur de biologie vasculaire à la Harvard Medical School (HMS) et au Boston Children’s Hospital, et professeur de bioingénierie à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences de Harvard.
Les autres auteurs de l’article sont Yunhao Zhai, Min Sun Kim, Aditya Patil, Danielle Curran, Jaclyn Long, Abidemi Junaid et Tom Ferrante du Wyss Institute ; Bruce Bausk, Tal Gilboa, Limor Cohen et David Walt du Wyss Institute, Brigham and Women’s Hospital et HMS ; et les anciens membres de l’Institut Wyss Gautam Mahajan, Liangxia Xie, Roey Lazarovits, Adam Mansour, Sanjay Sharma, Oren Levy et Rachelle Prantil-Baun.
Cette recherche a été soutenue par la DARPA dans le cadre de l’accord de collaboration n° W911NF-12-2-0036, les National Institutes of Health sous le numéro de subvention UG3HL141797, la Fondation Bill et Melinda Gates, BARDA sous le numéro de contrat 75A50121C00075 et le Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering .