رویکرد بیومواد جدید نشان می دهد که چگونه نیروهای مکانیکی سرنوشت سلول T را شکل می دهند

کمپین موفقیت‌آمیز درمان‌های سلول T، نوعی ایمونوتراپی که در آن سلول‌های T ایمنی از بیمار جمع‌آوری می‌شوند، در خارج از بدن تقویت می‌شوند و مجدداً به همان بیمار تزریق می‌شوند، به ویژه در برابر سرطان‌های خون. اما بهبود توانایی ایجاد جمعیت‌های سلول T ویژه بیمار با ویژگی‌ها و عملکردهای خاص می‌تواند مجموعه درمان‌های بالینی با سلول‌های T را گسترش دهد.

یکی از راه‌های نزدیک شدن به این هدف، درک بهتر ویژگی‌ها و عملکرد سلول‌های T، از جمله اثرات سیتوتوکسیک آن‌ها بر سلول‌های هدف ناخواسته (سلول‌های T موثر) یا توانایی آن‌ها برای به خاطر آوردن و حذف آن‌ها در صورت ظاهر شدن مجدد (سلول‌های T حافظه) است. با مقاومت مکانیکی بافت هایی که در حین نفوذ با آنها مواجه می شوند شکل می گیرند. ویژگی‌های مکانیکی بافت‌ها، به عنوان مثال، استخوان، ماهیچه، اندام‌های داخلی مختلف و خون، می‌تواند بسیار متفاوت باشد و بافت‌های پاتولوژیک مانند توده‌های تومور یا بافت‌های فیبروتیک از نظر مکانیکی به‌طور قابل‌توجهی با بافت‌های سالم متفاوت هستند.

اکنون، یک تیم تحقیقاتی در موسسه Wyss برای مهندسی با الهام از بیولوژی در دانشگاه هاروارد و دانشکده مهندسی و علوم کاربردی جان A. Paulson هاروارد (SEAS)، به رهبری دیوید مونی، عضو هیئت علمی Wyss Core، دکترا، بیومواد جدیدی را انتخاب کردند. رویکردی برای بررسی اثر مکانیک بافت بر وضعیت سلول‌های T با مهندسی یک مدل سه بعدی از ماتریکس خارج سلولی (ECM)، تولید شده توسط سلول هایی که مسئول سفتی و ویسکوالاستیسیته مختلف بافت هستند، آنها توانستند هر دو پارامتر را به طور مستقل تنظیم کنند. این آنها را قادر ساخت تا تأثیر متمایز ویسکوالاستیسیته بافت را بر رشد و عملکرد سلول T نشان دهند. درونکشتگاهی و in vivoو برای شناسایی یک مسیر مولکولی که این پدیده را هدایت می کند. یافته ها در گزارش شده است مهندسی زیست پزشکی طبیعت.

مقاومت مکانیکی به شکل «سفتی»، مقاومت بافت (یا هر ماده) در برابر تغییر شکل آنی، و «ویسکوالاستیسیته»، نوعی آرامش است که در طول زمان پس از تغییر شکل از خود نشان می‌دهد. در شرایط فیزیکی توضیح داده شده، یک ماده چسبناک (مایع) مانند عسل، احتمال بیشتری دارد که جریان داشته باشد، در حالی که یک ماده الاستیک (جامد) با سرعت بیشتری به شکل اولیه خود باز می گردد، مانند یک نوار لاستیکی پس از کشش – و این برای بافت هایی صادق است که از هر دو جزء جامد و سیال تشکیل شده اند.

مونی که همچنین یکی از اعضای این گروه است، می‌گوید: «نکته مهم، فنوتیپ‌ها، عملکردها و برنامه‌های بیان ژن سلول‌های T که در تغییرات سیستم آموزش داده شده‌اند، به خوبی با آنهایی که در سلول‌های T در بافت‌های مکانیکی متمایز از بیماران مبتلا به سرطان یا فیبروز یافتیم، همبستگی دارد. پروفسور خانواده رابرت پینکاس در مهندسی زیستی در SEAS، و ابتکار مواد ایمنی موسسه Wyss را رهبری می کند. “مطالعه ما مبنایی مفهومی برای استراتژی‌های آینده با هدف ایجاد جمعیت‌های سلول T از نظر عملکردی متمایز برای درمان‌های اقتباسی با تنظیم انتخابی ورودی مکانیکی ارائه شده توسط سیستم‌های کشت سلولی مهندسی شده مبتنی بر مواد زیستی فراهم می‌کند.”

تقلید مکانیک بافت در یک ظرف

کلید اکتشافات آنها مهندسی یک مدل ECM قابل تنظیم توسط تیم بود که در آن آنها بر روی نوعی کلاژن تمرکز کردند که به نظر آنها کلید دیکته کردن رفتار مکانیکی بافت‌های مختلف است. کلاژن یک پروتئین اصلی ECM است که تقریباً توسط تمام سلول های بدن ترشح می شود. تک تک مولکول‌های پروتئین کلاژن به طور طبیعی در فیبرهای چین‌دار سازمان‌دهی می‌شوند که با اتصال شیمیایی خود به فیبرها بیشتر در فیبرها تجمع می‌یابند. هر فیبریل را می توان یک فنر مکانیکی و هر فیبر را به عنوان مجموعه ای از فنرها در نظر گرفت. سفتی یک ECM به میزان متراکم بودن آن با مولکول‌های کلاژن بستگی دارد، در حالی که ویسکوالاستیسیته متمایز آن به میزان متراکم بودن مولکول‌های کلاژن به یکدیگر بستگی دارد.

برای تقلید از ECM مبتنی بر کلاژن طبیعی، این تیم هیدروژل‌هایی ساختند که سفتی آن‌ها را می‌توانستند با تغییر غلظت مولکول‌های کلاژن تنظیم کنند: تعداد کمتری از مولکول‌های کلاژن سفتی کمتر و اعداد بالاتر، سفتی بالاتر را تولید کردند. به طور مستقل، ویسکوالاستیسیته با تغییر مقادیر یک مولکول متقاطع مصنوعی که مولکول‌های کلاژن را شبکه‌تر می‌کرد، قابل تنظیم شد. مولکول های کلاژن با پیوند متقابل بیشتر هیدروژل های الاستیک بیشتری تولید کردند. هیدروژل‌های تقلیدکننده ECM به‌طور مساوی اجازه اتصال سلول‌های T از پیش فعال شده را می‌دادند، اما مهمتر از همه، تحریک آنها را با سیگنال‌های مکانیکی خاص فعال می‌کردند.

همکار اول گفت: “طبق دانش ما، این اولین مدل ECM است که به محققان اجازه می دهد سلول های T را با سفتی ناشی از ویسکوالاستیسیته جدا شده مطالعه کنند، و بنابراین ما و دیگران را در آینده قادر می سازد تا چگونگی تنظیم مکانیکی ایمنی و سایر سلول ها را بررسی کنیم.” نویسنده Yutong Liu، Ph.D.، که دانشجوی کارشناسی ارشد در گروه Mooney بود. “تحریک مکانیکی تعریف شده و یکنواخت سیستم بسیار متفاوت از نحوه کشت سلول های T است – سلول هایی که به ته ظرف کشت می چسبند با یک سطح بسیار غیر ارتجاعی مواجه می شوند، در حالی که آنهایی که در حالت تعلیق باقی مانده اند توسط محیط چسبناک احاطه شده اند.”

پیامدهای طبیعی عمل مکانیکی

این تیم تجزیه و تحلیل گسترده ای از سلول های T در معرض شرایط ویسکوالاستیک مختلف انجام داد. نویسنده اول گفت: «سلول‌های T که ماتریکس کلاژن الاستیک تری را تجربه می‌کنند، بیشتر به سلول‌های T شبه اثرگذار تبدیل می‌شوند، در حالی که سلول‌های T که ماتریکس ECM چسبناک‌تری را تجربه می‌کنند، به سلول‌های T شبیه حافظه تبدیل می‌شوند». Kwasi Adu-Berchie، Ph.D.، که دکترای خود را به پایان رساند. در آزمایشگاه Mooney’s و در حال حاضر یک دانشمند ایمونوتراپی ترجمه در موسسه Wyss است. مهمتر از همه، ما دریافتیم که وضعیت یک سلول T، ناشی از ویسکوالاستیسیته یک ماتریس، حتی بیشتر از هیدروژل های الاستیک تر و چسبناک تر، در درازمدت چاپ می شود، زیرا سلول پس از انتقال به ماتریس خاص، حافظه ای از آن ماتریس خاص را حفظ می کند. این می تواند پیامدهای گسترده ای برای تولید سلول های آینده داشته باشد.”

تجزیه و تحلیل بیان ژن، تیم را به فعالیت یک فاکتور رونویسی به نام AP-1 هدایت کرد که دریافت سلول‌های T را از محیط مکانیکی کشسان‌تر و چسبناک‌تر به یک برنامه بیان ژنی شبه اثرگذارتر مرتبط می‌کند. تعداد کمپلکس‌های AP-1 با ترکیبات خاص افزایش یافت و ژن‌های وابسته به آن‌ها برای بیان آن‌ها، نه تنها در سلول‌های T جدا شده از هیدروژل‌های الاستیک‌تر، بلکه در سلول‌های T جدا شده از سرطان و بافت‌های فیبروتیک بیماران، غنی شدند. سفت تر و کشسان تر از بافت های سالم همسایه هستند. هنگامی که آنها یکی از اجزای AP-1 را با دارو مهار کردند، از اثرات ماتریکس کلاژن الاستیک تر بر سلول های T جلوگیری شد.

برای بررسی اینکه چگونه تحریک‌های مکانیکی مختلف و نشانه‌های بیان ژن پیش‌بینی‌شده توسط سلول‌های T به صفات و عملکردهای واقعی تبدیل می‌شوند، تیم از سلول‌های CAR-T درمانی مهندسی شده برای اتصال آنتی‌ژن خاصی از رده سلولی لنفوم انسانی استفاده کردند. سلول های CAR-T که در یک ماتریکس کلاژن الاستیک تر تحریک شدند درونکشتگاهی توانایی قوی تری در کشتن سلول های لنفومی نشان داد. همچنین in vivoسلول‌های CAR-T که در یک ماتریکس الاستیک‌تر تحریک می‌شوند و به‌طور تطبیقی ​​به موش‌هایی با همان نوع لنفوم منتقل می‌شوند، به طور قابل‌توجهی نسبت به سلول‌های CAR-T که در معرض ماتریکس کمتر الاستیک قرار می‌گیرند، بار تومور را در حیوانات کاهش داده و عمر آنها را افزایش می‌دهند. .

“این مطالعه سه زمینه به ظاهر متفاوت، بیومواد، ایمونوتراپی و مکانیک‌بیولوژی را با هم ادغام می‌کند تا شکل کاملا جدیدی از مکانیک درمانی مبتنی بر بیومواد ایجاد کند. به راحتی می‌توان دید که چگونه این یافته‌ها می‌توانند به طور بالقوه راه‌های جدیدی را برای بهبود درمان‌های اقتباسی با سلول T برای بیماران باز کنند. در آینده، “دونالد اینگبر، مدیر موسس Wyss، MD، Ph.D، که همچنین جودا فولکمن استاد زیست شناسی عروقی در دانشکده پزشکی هاروارد و بیمارستان کودکان بوستون، و Hansjörg Wyss استاد مهندسی با الهام از زیست در SEAS

سایر نویسندگان در مطالعه حاضر و اعضای سابق گروه مونی، از جمله دیوید ژانگ، بنجامین فریدمن، جاشوا براکمن، کایل وینینگ، برایان نگر و آندریا گارمیلا بودند. این مطالعه توسط مؤسسه ملی بهداشت (جایزه # R01 CA276459-01)، سازمان غذا و دارو (جایزه # R01FD006589) و برنامه Wellcome Leap HOPE تامین شد.