سیستم ایمنی بسیار پیچیده است، اما اکنون، روی یک تراشه است

به نقل از اد یونگ، نویسنده کهنه کار علم، کلمات ساده و در عین حال بسیار دقیق اقیانوس اطلس, “سیستم ایمنی بسیار پیچیده است.” همانطور که همه‌گیری کووید-19 کاملاً روشن کرده بود، علم هنوز مکانیسم‌های دفاعی پیچیده‌ای را که از ما در برابر مهاجمان میکروبی محافظت می‌کند، کاملاً درک نکرده است. چرا برخی افراد هنگام آلوده شدن به SARS-CoV-2 هیچ علامتی نشان نمی دهند در حالی که برخی دیگر از تب شدید و بدن درد رنج می برند؟ چرا برخی تسلیم طوفان های سیتوکینی می شوند که خود بدن ساخته شده است؟ ما هنوز پاسخ دقیقی برای این سوالات نداریم.

با این حال، دانشمندان امروزی به لطف گروهی از محققان موسسه مهندسی بیولوژیکی Wyss در دانشگاه هاروارد، اکنون ابزار جدیدی برای کمک به کشف اسرار سیستم ایمنی بدن دارند. آنها سلول های B و T انسانی را در داخل یک دستگاه تراشه اندام میکروسیالی کشت داده و آنها را وادار کردند تا به طور خود به خود فولیکول های لنفاوی عملکردی را تشکیل دهند – ساختارهایی که در غدد لنفاوی و سایر قسمت های بدن انسان قرار دارند و واکنش های ایمنی را واسطه می کنند. آنها از محفظه‌های مختلفی تشکیل شده‌اند که سلول‌های B و سلول‌های T «بی‌تفاوت» را در خود جای داده‌اند، که با هم آبشاری از رویدادها را آغاز می‌کنند که منجر به پاسخ ایمنی کامل در مواجهه با یک آنتی‌ژن خاص می‌شوند.

این تراشه‌های فولیکول لنفاوی (LF) علاوه بر اینکه به محققان اجازه می‌دهد عملکرد طبیعی سیستم ایمنی را بررسی کنند، می‌توانند برای پیش‌بینی پاسخ‌های ایمنی به واکسن‌های مختلف و کمک به انتخاب بهترین عملکردها مورد استفاده قرار گیرند و نسبت به مدل‌های پیش بالینی موجود مانند سلول‌های یک ظرف و پستانداران غیر انسانی. دستاورد امروز در گزارش شده است علوم پیشرفته.

حیوانات مدل‌های تحقیقاتی استاندارد طلایی برای توسعه و آزمایش واکسن‌های جدید بوده‌اند، اما سیستم ایمنی آن‌ها به‌طور قابل‌توجهی با سیستم ایمنی ما متفاوت است و به‌طور دقیق پیش‌بینی نمی‌کند که انسان‌ها چگونه به آنها پاسخ خواهند داد. پاسخ ایمنی انسان به عفونت و واکسیناسیون، و می تواند سرعت و کیفیت ساخت واکسن را در آینده به میزان قابل توجهی افزایش دهد.”

یک کشف تصادفی

مانند بسیاری از اکتشافات علمی بزرگ، پروژه تراشه LF نتیجه سرندیپیتی در آزمایشگاه است. گویال و دیگر دانشمندان موسسه Wyss می‌خواستند بررسی کنند که چگونه سلول‌های B و T که در خون در گردش هستند، رفتار خود را پس از ورود به بافت تغییر می‌دهند، بنابراین آن‌ها این سلول‌ها را از نمونه‌های خون انسان به دست آوردند و آنها را در داخل یک دستگاه تراشه اندام میکروسیالی کشت دادند تا شبیه‌سازی فیزیکی شود. شرایطی که آنها هنگام مواجهه با اندامی تجربه می کنند.

هنگامی که سلول ها در داخل یکی از دو کانال داخل دستگاه قرار گرفتند، هیچ اتفاق قابل توجهی رخ نداد – اما وقتی محققان جریان محیط کشت را از طریق کانال دیگر برای تغذیه سلول ها آغاز کردند، از دیدن این که در داخل تراشه اندام، سلول های B و T شروع به خودسازماندهی خود به خود در ساختارهای سه بعدی کردند که شبیه به “مراکز ژرمینال” به نظر می رسید – ساختارهایی در LFs که در آن واکنش های ایمنی پیچیده ای رخ می دهد. گویال می‌گوید: «آنقدر غیرمنتظره بود که ما کاملاً از آزمایش اصلی منحرف شدیم و روی تلاش برای کشف اینکه آنها چه هستند تمرکز کردیم.

هنگامی که محققان شروع به بررسی ساختارهای مرموزی کردند که در داخل تراشه اندام در شرایط جریان شکل گرفته بود، دریافتند که سلول ها ماده شیمیایی به نام CXCL13 ترشح می کنند. CXCL13 مشخصه تشکیل LF است، هم در غدد لنفاوی و هم در سایر قسمت‌های بدن، در پاسخ به التهاب مزمن، مانند سرطان و شرایط خودایمنی.

این تیم همچنین دریافت که سلول‌های B در LFهایی که روی تراشه خود مونتاژ می‌شوند، همچنین آنزیمی به نام سیتیدین دآمیناز (AID) را بیان می‌کنند که برای فعال کردن سلول‌های B در برابر آنتی‌ژن‌های خاص حیاتی است و در سلول‌های B وجود ندارد. در خون گردش می کند.

نه CXCL13 و نه AID در سلول‌هایی که در یک ظرف استاندارد دوبعدی کشت داده شده بودند وجود نداشت و این نشان می‌دهد که دانشمندان در واقع با موفقیت LFs عملکردی را از سلول‌های خونی در گردش ایجاد کرده‌اند.

در LFs در بدن انسان، سلول‌های B فعال بالغ می‌شوند و به انواع مختلفی از سلول‌های نتاج از جمله سلول‌های پلاسما تمایز می‌یابند که مقادیر زیادی آنتی‌بادی علیه یک پاتوژن خاص ترشح می‌کنند. این تیم پس از اعمال چندین محرک مورد استفاده در آزمایشگاه برای فعال کردن سلول‌های B، مانند ترکیب سیتوکین IL-4 و آنتی‌بادی ضد CD40 یا باکتری‌های مرده، وجود سلول‌های پلاسما را در تراشه‌های LF شناسایی کردند. قابل توجه است که سلول‌های پلاسما در خوشه‌هایی در LFs متمرکز شدند، همانطور که در داخل بدن نیز خواهند بود.

پراناو پرابهالا، تکنسین در Wyss گفت: «این یافته‌ها به‌ویژه هیجان‌انگیز بودند زیرا تأیید می‌کردند که ما یک مدل عملکردی داریم که می‌توان از آن برای کشف برخی از پیچیدگی‌های سیستم ایمنی انسان، از جمله پاسخ‌های آن به انواع مختلف پاتوژن‌ها استفاده کرد.» مؤسسه و نویسنده دوم مقاله.

پیش‌بینی اثربخشی واکسن روی یک تراشه

اکنون که دانشمندان یک مدل عملکردی LF داشتند که می‌توانست پاسخ ایمنی را آغاز کند، آنها بررسی کردند که آیا تراشه LF آنها می‌تواند برای تکثیر و مطالعه پاسخ سیستم ایمنی بدن انسان به واکسن‌ها استفاده شود یا خیر.

در بدن انسان، واکسیناسیون سلول‌های خاصی به نام سلول‌های دندریتیک را وادار می‌کند تا پاتوژن تزریق شده را جذب کرده و به غدد لنفاوی مهاجرت کنند، جایی که قطعاتی از آنها را روی سطح خود نشان می‌دهند. در آنجا، این سلول‌های ارائه‌دهنده آنتی‌ژن، سلول‌های B را با کمک سلول‌های T محلی در LF فعال می‌کنند و باعث تمایز سلول‌های B به سلول‌های پلاسما می‌شوند که آنتی‌بادی‌هایی علیه پاتوژن تولید می‌کنند. برای تکرار این فرآیند، محققان سلول‌های دندریتیک را به تراشه‌های LF به همراه سلول‌های B و T از چهار اهداکننده انسانی جداگانه اضافه کردند. آنها سپس تراشه ها را با واکسنی علیه سویه H5N1 آنفولانزا همراه با ماده کمکی به نام SWE تلقیح کردند که به تقویت پاسخ های ایمنی به واکسن معروف است.

تراشه های LF که واکسن و ادجوانت را دریافت کردند، به طور قابل توجهی سلول های پلاسما و آنتی بادی های ضد آنفولانزا را نسبت به سلول های B و T رشد یافته در کشت های دوبعدی یا چیپس های LF که واکسن دریافت کردند اما کمکی دریافت نکردند، تولید کردند.

سپس تیم آزمایش را با سلول‌های هشت اهداکننده مختلف، این بار با استفاده از فلوزون تجاری موجود، تکرار کرد^Ⓡ واکسن آنفولانزا که در برابر سه گونه مختلف ویروس در انسان محافظت می کند. یک بار دیگر، سلول های پلاسما و آنتی بادی های ضد آنفولانزا به تعداد قابل توجهی در تراشه های LF تیمار شده وجود داشتند. آنها همچنین سطوح چهار سیتوکین را در تراشه های LF واکسینه شده که توسط سلول های ایمنی فعال ترشح می شوند اندازه گیری کردند و دریافتند که سطح سه مورد از آنها (IFN-γ، IL-10 و IL-2) مشابه است. آنهایی که در سرم انسانهایی که با فلوزون واکسینه شده بودند یافت شد^Ⓡ.

محققان Wyss اکنون از تراشه‌های LF خود برای آزمایش واکسن‌ها و کمک‌های مختلف با همکاری شرکت‌های داروسازی و بنیاد گیتس استفاده می‌کنند.

هجوم تلاش‌های توسعه واکسن که توسط همه‌گیری کووید-19 برانگیخته شد، برای سرعت آن‌ها قابل توجه بود، اما افزایش تقاضا ناگهان باعث شد مدل‌های حیوانی سنتی منابع کمیاب شوند. تراشه LF یک مدل ارزان‌تر، سریع‌تر و پیش‌بینی‌کننده‌تر برای مطالعه پاسخ‌های ایمنی انسان ارائه می‌کند. به عفونت ها و واکسن ها، و ما امیدواریم که توسعه واکسن در برابر بسیاری از بیماری ها را در آینده ساده و بهبود بخشد.” جودا فولکمن استاد زیست شناسی عروقی در دانشکده پزشکی هاروارد (HMS) و بیمارستان کودکان بوستون، و استاد مهندسی زیستی در دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد جان A. Paulson.