As células T protegem o corpo de substâncias estranhas (conhecidas como antígenos) e são um componente essencial do sistema imunológico do corpo. Novas imunoterapias que usam células T do próprio paciente para tratar doenças já se mostraram extremamente eficazes no tratamento de alguns tipos de câncer, e os pesquisadores do câncer em todo o mundo estão correndo para melhorar esses tratamentos e aplicá-los de forma mais ampla.

O envolvimento entre as células T e os antígenos desencadeia a resposta imunológica, com cascata de sinais dentro da célula T. O processo envolve uma coreografia intrincada de proteínas receptoras e seus ligantes na ou próximo à superfície da célula T e da célula apresentadora de antígeno (APC).

Uma equipe de pesquisadores, liderado pelo físico aplicado de engenharia de Columbia Shalom J. Wind e pela Universidade de Oxford e pelo biólogo do NYU-Langone Medical Center Michael L. Dustin, revelou os fundamentos geométricos de ativação de células T por meio da engenharia precisa da geometria do receptor de células T em todas as três dimensões. Eles usaram a nanofabricação para criar uma superfície biomimética que simula os principais recursos do APC. Esta superfície apresenta ligantes de receptores de células T (moléculas que se ligam e estimulam os receptores na superfície da célula T) em uma variedade de arranjos geométricos diferentes, com diferentes espaçamentos entre ligantes dispostos em grupos de tamanhos variados. As descobertas foram publicadas online hoje em Nature Nanotechnology .

"Nossos resultados podem ter um impacto significativo no campo da imunoterapia adotiva, que tem visto um sucesso notável recentemente no tratamento de certos tipos de câncer, "diz Wind." Nossa abordagem de nanoengenharia nos permitiu investigar o papel que a geometria desempenha no disparo de células T com controle e precisão sem precedentes. Ficamos muito interessados ​​em determinar a importância do arranjo geométrico das moléculas para as etapas iniciais da estimulação de células T, porque isso pode fornecer uma nova visão sobre este processo e pode até oferecer uma nova maneira de controlar a ativação de células T. "

O novo avanço nas superfícies biomiméticas nanofabricadas da equipe, que foi fundamental para o estudo publicado hoje, foi o desenvolvimento de uma maneira de colocar os ligantes em "nanopedestais" na superfície, controlar efetivamente a distância entre a célula T e o APC, enquanto, ao mesmo tempo, controla o espaçamento entre os ligantes individuais. Eles também desenvolveram uma técnica para introduzir outras moléculas que desempenham um papel importante no envolvimento da célula T / APC e permitiu que elas se ligassem umas às outras.

A combinação dessas inovações - o controle geométrico preciso da posição do ligante juntamente com a colocação dos ligantes nos nanopedestais e permitindo que as moléculas adicionais desempenhem seu papel usual - levou a uma descoberta surpreendente:um aumento acentuado no acionamento de células T quando o espaçamento do ligante caiu abaixo de 50 nm. Mas este limite apareceu apenas quando a célula T foi separada da superfície (ou superfície APC) por cerca de 23 nm, usando os nanopedestais. Os pesquisadores mostraram que este foi um resultado decorrente dos aspectos espaciais do CD45, uma proteína cujo papel fisiológico é inibir a ativação do receptor de células T. Se a célula T e o APC estiverem muito próximos, então CD45, que é uma molécula "grande", é "espremido" para fora da área, permitindo que a ativação do receptor de células T prossiga. Com algum espaço adicional entre as células, O CD45 pode evitar isso? A menos que os ligantes do receptor de células T estejam muito próximos um do outro (menos de 50 nm), nesse caso, o espaçamento lateral comprime parcialmente o CD45.

O papel da exclusão de CD45 do receptor de células T tem sido um tema quente entre os pesquisadores de imunologia:alguns pensam que é um requisito absoluto para o acionamento do receptor, enquanto outros dizem que ela desempenha apenas um papel parcial. "Em nosso estudo, pudemos não apenas observar um limiar espacial que mostra que a exclusão de CD45 é importante, mas também para ver que o desencadeamento pode ocorrer mesmo quando o CD45 não é totalmente segregado da região do receptor de células T, contanto que o espaçamento seja pequeno, "diz Dustin, que é professor do Instituto Kennedy de Reumatologia. "Isso não apenas lança uma luz importante sobre a questão da exclusão do CD45, mas sugere um papel funcional para o empacotamento do receptor de células T em dimensões próximas. "

Este projeto altamente interdisciplinar combinou o processamento de dispositivos semicondutores com biologia celular, química de superfície, e bioquímica. A equipe Columbia, que incluía Michael Sheetz, que incluía Michael Sheetz, Professor Emérito de Ciências Biológicas e Engenharia Biomédica e Diretor do Instituto de Mecanobiologia de Cingapura, combinaram seus conhecimentos, pegando as ferramentas e técnicas originalmente desenvolvidas pela indústria de semicondutores para fabricar transistores e adaptando-os para abordar questões importantes na biologia celular. A equipe tem colaborado no sensoriamento de geometria celular por quase 15 anos. Eles usam padrões litográficos, deposição de filme fino, e gravação para criar "chips" que são construídos em lâminas de microscópio, em vez de bolachas de silício. Usando as instalações disponíveis como parte da Iniciativa Columbia Nano, eles foram capazes de criar padrões arbitrários de proteínas individuais (muito menores do que até mesmo os elementos de transistor mais avançados), com controle preciso sobre a localização de cada proteína.

Dustin notou, "Esta foi uma ótima colaboração, já que os biólogos têm lutado para encontrar maneiras de controlar com precisão o espaço entre as células. Os engenheiros da Columbia desenvolveram um método para efetivamente 'elevar' a célula T viva em 10 nm sobre uma superfície biomimética desenvolvida pela equipe da NYU / Oxford. Esses elementos se juntaram para abordar uma questão fundamental de relevância para a imunoterapia. "

Os resultados relatados hoje podem ter aplicações importantes na imunoterapia adotiva e possivelmente além. Com o conhecimento específico dos parâmetros geométricos subjacentes ao acionamento do receptor de células T, pesquisadores podem melhorar algumas terapias por, por exemplo, projetar novos receptores de antígenos quiméricos (que são a base para a terapia com células CAR T) com características geométricas específicas que otimizam os resultados terapêuticos. Superfícies nanofabricadas como as usadas neste trabalho também podem ser usadas para melhorar a expansão e ativação das células T fora do corpo, possivelmente aumentando a eficácia desse tipo de imunoterapia e encurtando o tempo de tratamento.

"Este trabalho é muito inteligente, "diz Carl S. June, professor de imunoterapia na Perelman School of Medicine, Universidade da Pensilvânia, e pioneira na terapia de transferência de células T adotiva, que não estava envolvido com o estudo. "A evidência direta de um papel não linear desempenhado dentro e fora do plano da membrana no desencadeamento de TCR (receptor de células T) é bastante nova e tem implicações no design de células T CAR. Esta abordagem pode guiar o desenvolvimento de CARs que teriam uma melhor discriminação entre as células tumorais e as células normais que têm densidades mais baixas de alvo. "

Sheetz adiciona, "Esta tecnologia pode ter um papel muito maior no tratamento da questão geral de como o espaçamento entre as células, bem como entre as células e os substratos, pode afetar os processos de sinalização."

"Além do nosso foco na imunoterapia, "Notas de vento, "este trabalho mostra como o poder da tecnologia de fabricação de transistores pode ser aplicado a problemas na biomedicina. Seguir esse caminho promete levar a desenvolvimentos mais interessantes no futuro."