Wywiad: Prezentacja antygenów glikolipidowych przez CD1d oraz potencjał terapeutyczny aktywacji komórek NKT

Witajcie, nazywam się Mitchell Cronenberg i reprezentuję La Jolla Institute for Allergy and Immunology. Pełnię funkcję prezesa i dyrektora naukowego, ale prowadzę również bardzo aktywną pracownię badawczą. Oczywiście będziemy rozmawiać o jednej z naszych technologii, mianowicie o tetramerach CD 1D. Większość prac w moim laboratorium dotyczy limfocytów T reaktywnych wobec CD 1D.

Komórki te są wyjątkowe, ponieważ rozpoznają glikolipidy, a nie peptydy. Inna część mojego laboratorium zajmuje się zupełnie innym tematem – błon śluzowym układem odpornościowym i jego regulacją. Cząsteczki CD1 są cząsteczkami prezentującymi antygen, co oznacza, że wiążą one antygeny lub fragmenty białek bądź inne cząsteczki i prezentują je w celu rozpoznania przez limfocyty T.

W rzeczywistości istnieją dwa różne rodzaje cząsteczek prezentujących antygen. Występują takie, które wiążą lub prezentują peptydy, oraz takie, które wiążą lipidy i glikolipidy. Cząsteczki CD1 wiążą lipidy i glikolipidy.

Jest to ich funkcja i prezentują one te lipidy oraz glikolipidy limfocytom T. Istnieją w rzeczywistości cztery różne rodzaje cząsteczek CD1: CD1A, B, C i D. W szczególności skupiamy się na CD1D, która jest prawdopodobnie najlepiej przebadana, częściowo ze względu na dostępność modeli mysich. CD1D prezentuje glikolipidy konkretnemu rodzajowi limfocytów T, zwanym limfocytami NKT (natural killer T), które są nietypowymi białymi krwinkami wykazującymi cechy odpowiedzi immunologicznej wrodzonej i nabytej.

Przedstawione glikolipidy mogą być glikolipidami endogennymi, choć nie są one na tym etapie bardzo dobrze scharakteryzowane, lub mogą być glikolipidami mikrobiologicznymi. Wiemy, że glikolipidy, które są prezentowane, pochodzą z dwóch źródeł. Jednym z nich są tzw. bakterie FMS, które są prawdopodobnie najliczniejszymi bakteriami w biosferze.

Żyją w oceanach, w roślinach, w glebie. Jednak rzadko wywołują choroby u ludzi. Przypuszczam, że jesteśmy bardzo przyzwyczajeni do współistnienia z tymi bakteriami.

Drugą znaną nam kategorią jest inny rodzaj glikolipidów, zwane glikolipidami zawierającymi digliceryrol. Występują one u *Borrelia burgdorferi*, wywołującej boreliozę, a prawdopodobnie także u wielu innych patogenów. Obecnie dopiero odkrywamy, jakie różne rodzaje bakterii posiadają te glikolipidy.

Mamy zatem tzw. glikolipidy sygnałowe z SMS oraz lipidy diacyloglicerylowe z Borrelia i prawdopodobnie z wielu innych organizmów, które są prawdziwie patogenne. Lipidy te są ładowane na cząsteczki CD1D, głównie na komórkach dendrytycznych, choć mogą to być również limfocyty B, komórki ER w wątrobie i być może inne typy komórek. Cząsteczki CD1D przechodzą przez lizosomy i endosomy, gdzie prawdopodobnie wiążą te lipidy, a następnie transportują lipid na powierzchnię komórki w celu rozpoznania przez limfocyty T, w tym wspomniane wcześniej naturalne komórki NK T.

Jedną z rzeczy, które dzieją się w przypadku kontaktu z bakterią zawierającą glikolipidy, jest bardzo szybka aktywacja komórek NK T. Konwencjonalne komórki T, czyli innymi słowy komórki T reagujące na peptydy, zazwyczaj potrzebują trzech lub czterech dni na wywołanie silnej odpowiedzi immunologicznej, zwłaszcza jeśli nie miały wcześniej kontaktu z antygenem.

Innymi słowy, jeśli są naiwne. W przeciwieństwie do nich, komórki NK T mogą zostać aktywowane w ciągu kilku godzin i zaczną produkować cytokiny, takie jak interferon gamma, co jest istotne dla eliminacji bakterii w bardzo krótkim czasie. W ten sposób przypominają one pewne aspekty modelu odpowiedzi odpornościowej nieswoistej.

Na podstawie badań nad antygenami modelowymi wiemy, że CD 1D przedostaje się do późnych endosomów i lizosomów – bardzo zakwaszonych przedziałów wewnątrzkomórkowych, w których antygeny glikolipidowe są ładowane do CD 1D. W komórkach prezentujących antygen, takich jak komórki dendrytyczne, istnieją w rzeczywistości specjalne białka transportowe, które pomagają w ładowaniu lipidów do cząsteczki CD 1D. W przypadku bakterii z rodzaju *Francisella*, *Borrelia* i innych, mamy do czynienia z bakteriami zewnątrzkomórkowymi. Zatem antygeny lipidowe muszą być w jakiś sposób transportowane do wnętrza komórki, prawdopodobnie do lizosomu, gdzie są ładowane do cząsteczki CD 1D.

Następnie następuje natychmiastowa aktywacja komórki NKT i cały ten proces musi zajść w ciągu zaledwie kilku godzin w sinusoidach wątroby, w śledzionie, być może w szpiku kostnym oraz w innych miejscach, w których znajdują się komórki NKT. Struktura tetrameryczna jest kluczowa dla jednoznacznego zdefiniowania tych naturalnych zabójczych komórek T, które posiadają właściwości wrodzone odróżniające je od innych limfocytów T. Inne dostępne markery są zbyt niejednoznaczne, natomiast tetramery pozwalają na identyfikację komórek na podstawie specyficzności ich receptorów antygenowych, co jest kluczowym faktem je definiującym; metoda wytwarzania tetramerów jest znana od dawna.

Zostało ono wynalezione przez Marka Davisa i Johna Almana; pomysł polegał na tym, że receptor limfocytów T wykazuje niskie powinowactwo, a jeśli chce się zdefiniować lub zidentyfikować komórki na podstawie ich swoistości, to peptydy, które one rozpoznają, lub kompleksy peptydów i cząsteczek prezentujących antygen, nie posiadają wystarczającego powinowactwa ani siły wiązania, aby umożliwić identyfikację komórki. W związku z tym Mark Davis i John Allman wynaleźli technologię tetramerów, sposób tworzenia tetramerów, a w niektórych przypadkach OCR-ów, składających się z cząsteczki prezentującej antygen oraz prezentowanej przez nią cząsteczki, co w zasadzie zwiększa powinowactwo oddziaływania. Dzięki temu można zidentyfikować komórkę swoistą dla peptydu grypy i konkretnej cząsteczki prezentującej antygen lub jakiegokolwiek innego antygenu, który jest przedmiotem zainteresowania.

To bardzo ważna technologia, ponieważ pozwala na przykład sprawdzić, jak skuteczny może być schemat szczepień. To, co zaczęliśmy robić pod koniec lat dziewięćdziesiątych – pierwotnie w pracy opublikowanej w 2000 roku, która do tej pory została zacytowana około 500 razy – to po prostu zaadaptowanie tej technologii do lipidów.

Przygotowaliśmy rozpuszczalne cząsteczki CD1 i dzięki metodom, które opiszę za chwilę, udało nam się je zmerować, innymi słowy, zmerować je, łącząc ze specyficznymi glikolipidami. W ten sposób mogliśmy wykorzystać je jako odczynniki do badania specyficznych receptorów limfocytów T – tych, które rozpoznają interesujący nas glikolipid oraz CD1D. Tetramery mogą być stosowane w każdej sytuacji, gdy chcemy przeanalizować liczbę komórek NKT, ich stan aktywacji oraz ich funkcję.

W naszym laboratorium może to dotyczyć dowolnego z wielu różnych projektów. Na przykład, jeśli chcemy zbadać, czy konkretny mutant i szlak sygnalizacyjny wpływają na rozwój komórek NK T, możemy to zrobić za pomocą naszych tetramerów, analizując liczbę komórek NKT. Istnieją również inne markery oraz białka powierzchniowe komórek, które możemy badać, aby ocenić, czy komórki NKT są dojrzałe lub czy zostały aktywowane; stosując tetramery po stymulacji antygenowej, możemy sprawdzić nie tylko, czy są one aktywowane, ale także jakie cytokiny produkują.

W ten sposób możemy połączyć barwienie tetramerami, na przykład z wewnątrzkomórkowym barwieniem cytokin, i zbadać, jaki procent komórek NKT produkuje interferon gamma, jaki procent produkuje IL-4, a jaki procent produkuje obie te cytokiny; dzięki wieloparametrycznej cytometrii przepływowej możemy stawiać różnorodne pytania dotyczące produkcji cytokin przez te komórki bezpośrednio ex vivo. Możemy również przeprowadzać dalsze eksperymenty. Na przykład możemy wykorzystać tetramery do oczyszczania komórek NKT w celu ich hodowli in vitro, aby zbadać, jak oddziałują one z innymi typami komórek, lub nawet w celu ich transferu do zwierzęcia biorcy, które na przykład z powodów genetycznych nie posiada komórek NKT.

Chcemy przywrócić tę funkcję. Możemy to zrobić i badać, gdzie komórki migrują oraz w jaki sposób funkcjonują. Wreszcie, wiem, że w przypadku ludzkich komórek NKT stosowano tetramery do ekspansji linii komórkowych in vitro w celu namnożenia komórek do celów analitycznych, a potencjalnie nawet do celów terapeutycznych.

Do generowania tetramerów CD 1D wykorzystujemy system ekspresyjny wirusa Bao. Proces ten rozpoczyna się od zastosowania powszechnego konstruktu DNA zawierającego promotor oraz sekwencje kodujące β2-mikroglobulinę i łańcuch ciężki CD 1D. Ta cząsteczka CD 1 jest heterodimerem składającym się z dwóch polipeptydów.

Stosujemy system ekspresyjny z dwoma promotorami, a następnie zakażamy hodowle komórkowe owadów wirusami vao, które zostały starannie mianowane zgodnie z wyjaśnieniami w naszym kanale. Po zakażaniu komórek odzyskujemy z pożywki hodowlanej białko wyekspresjonowane przez komórki. Łańcuch ciężki CD1D został zaprojektowany specjalnie do produkcji tetramerów.

Są dwie rzeczy, a właściwie powinienem powiedzieć trzy rzeczy, które robimy. Po pierwsze, usuwamy fragment transbłonowy. Zatem ekspresujemy białko rozpuszczalne.

Po drugie, dodaliśmy znacznik heksahistydynowy (his-tag), aby białko można było oczyścić za pomocą chromatografii jonowej metali. Po trzecie, wprowadziliśmy tzw. miejsce wiązania biotyny dla enzymatycznej biotynylacji. To właśnie jest element innowacyjny.

Było to bardzo istotne, gdy Davis i Alman po raz pierwszy opracowali technologię produkcji tetramerów. Po odzyskaniu białka jest ono oczyszczane za pomocą chromatografii kolumnowej na niklu. Czasami po tym etapie przeprowadzamy chromatografię wykluczania cząsteczkowego.

Następnie białko można poddać biotynilacji enzymatycznej i inkubować; gdy zostanie ono w ten sposób biotynilowane, po inkubacji z przeciwciałem anty-strep utworzy tetramery. Rozpuszczalne białko CD1 można natomiast inkubować, zazwyczaj przez noc, w roztworze interesującego nas glikolipidu. Bardzo ważne jest, aby glikolipidu nie rozpuszczano w DMSO, który jest typowym rozcieńczalnikiem lub rozpuszczalnikiem dla glikolipidów, ponieważ CD1 jest na niego bardzo wrażliwe.

Zazwyczaj stosujemy bufor zawierający niewielką ilość tweenu oraz PBS. Bufor ten jest bardzo skuteczny w rozpuszczaniu większości naszych glikolipidów. Do ładowania do CD 1D, co wydaje się zachodzić spontanicznie, używamy streptawidyny od różnych producentów.

A sprzężenie z PE, FICOn, ERYN lub barwnikiem PC fikocyjaniną – dowolnym z nich – wydaje się działać bardzo dobrze i zapewnia nam bardzo dobre barwienie. Zatem ogólnie rzecz biorąc, procedura ta nie różni się znacząco od dobrze opisanych procedur otrzymywania tetramerów MHC klasy I, z wyjątkiem tego, że nie stosujemy ekspresji bakteryjnej, lecz ekspresję wirusowo-bakteryjną, a oczywiście mamy do czynienia z antygenami lipidowymi zamiast peptydów. Jednym z punktów, które powinniśmy podkreślić, jest fakt, że ludzie posiadają komórki NK T i wykazują one taką samą swoistość, jak mysie komórki NK T.

Zatem specyficzność ta utrzymuje się od co najmniej 60 milionów lat, odkąd oddzieliliśmy się od gryzoni; w rzeczywistości ludzkie tetramery CD1D otrzymujemy za pomocą tych samych technik, które można zobaczyć w tym filmie. Co więcej, ludzkie komórki NK T bardzo dobrze reagują z tetramerami mysimi i odwrotnie. W związku z tym nie przygotowujemy tetramerów ludzkich tak często, ponieważ w badaniach nad ludźmi możemy wykorzystywać nasze tetramery mysie.

Istnieje wiele modeli mysich, w których wykazano, że komórki NK T są kluczowymi czynnikami determinującymi wynik odpowiedzi immunologicznej. Obejmuje to zakres od odpowiedzi na nowotwory, regulacji chorób autoimmunologicznych, eliminacji czynników zakaźnych, a nawet powstawania blaszek miażdżycowych. Jest to przewlekły proces zapalny występujący w tętnicach.

Pojawiają się pewne pytania dotyczące znaczenia tych komórek u ludzi, gdzie występują one w nieco mniejszej liczbie. Pojawiło się wiele doniesień wskazujących na to, że są one zmienione w stanach autoimmunologicznych, a istnieją również raporty mówiące o ich dużym zagęszczeniu w płucach pacjentów z astmą. Chociaż raporty te, w tym jeden w New England Journal of Medicine, budzą pewne kontrowersje, istnieje szereg badań na ludziach sugerujących, że komórki te mogą być istotne.

W ramach badań klinicznych stymulację komórek NKT przetestowano w czterech badaniach fazy pierwszej u pacjentów z zaawansowanym nowotworem. Istnieją pewne dowody na ich skuteczność, choć oczywiście osoby te są w bardzo ciężkim stanie; badania trwają obecnie w przypadku kilku różnych typów nowotworów. Pojawiają się również osoby zainteresowane wykorzystaniem terapii komórkami NKT w chorobach autoimmunologicznych, choć prace te nie zostały jeszcze w pełni rozpoczęte.

Tetramery mogą odgrywać w tych badaniach kluczową rolę przede wszystkim pod kątem analizy tego, co stało się z komórkami NKT po terapii agonistycznej. Zazwyczaj koncepcja polega na zastosowaniu agonistów glikolipidowych lub w niektórych przypadkach nawet antagonistów glikolipidowych, które są opracowywane przez inne grupy, w zależności od odpowiedzi i stanu klinicznego. Następnie ocenia się, co dzieje się lub stało się z komórkami NKT, co zazwyczaj wykonuje się przy użyciu tetramerów.

Innym potencjalnym zastosowaniem byłaby ekspansja ludzkich komórek NKT in vitro. Jest to całkiem wykonalne i możliwe, aby hodować duże liczby ludzkich komórek NKT in vitro na przykład poprzez stymulację antygenową, którą można przeprowadzić za pomocą tetramerów lub komórek posiadających odpowiednie glikolipidy. Dodatkowo, oprócz zastosowania tetrameru lub komórek, konieczne jest dodanie cytokin.

Jednak w takich warunkach można namnożyć znaczną liczbę ludzkich komórek NK T. Ponadto przynajmniej jedna grupa w Bostonie jest zainteresowana tego typu terapią, w przeciwieństwie do terapii opartej na glikolipidach. Inna część mojego laboratorium zajmuje się badaniem odporności błon śluzowych.

Większość immunologów skupia się na limfocytach lub białych krwinkach w węzłach chłonnych i śledzionie. A jednak prawdopodobnie większość z nich w naszym organizmie znajduje się w błonie śluzowej jelit, w miejscu, gdzie mamy również prawdopodobnie od 10¹⁰ do 10¹⁴ lub 10¹⁰ do 10¹⁵ bakterii. Zatem z mikrobiologicznego punktu widzenia jesteśmy w większości sterylni, ale nie w naszych jelitach.

W jelitach znajduje się również bardzo liczna populacja białych krwinek. Komórki te posiadają unikalne właściwości i w rzeczywistości są w pewnym stopniu niedostatecznie zbadane. Przeprowadzamy zatem podstawowe badania naukowe nad tymi komórkami.

Badamy również proces, który nazwałbym dysregulacją odpornościową w jelitach, prowadzącą do nieswoistych zapaleń jelit. Są to w zasadzie choroby o podłożu immunologicznym, obejmujące jelito cienkie lub grube, znane jako choroba Crohna lub wrzodziejące zapalenie jelita grubego. Choć prowadzimy pewne badania na ludziach, większość naszej pracy opiera się na modelach mysich. Dysponujemy modelami mysimi, które uważam za bardzo dobre w kontekście dysregulacji śluzówkowego układu odpornościowego, prowadzącej do objawów przypominających chorobę Crohna.

Badamy ten proces oraz sposoby jego zakłócania, w nadziei na opracowanie lepszych terapii dla pacjentów cierpiących na te choroby o podłożu immunologicznym. Podsumowując, możemy zastanowić się nad kierunkiem, w którym immunologia będzie zmierzać w ciągu najbliższych 10 lat, choć – choć może to brzmieć zaskakująco – naprawdę trudno jest przewidzieć przyszłość w tak odległym horyzoncie czasowym.

Uważam, że śluzówkowy układ odpornościowy jest w rzeczywistości jednym z głównych, nieodkrytych jeszcze obszarów immunologii. Choż coraz więcej osób i coraz więcej prestiżowych grup badawczych zaczyna interesować się badaniami nad immunologią śluzówkową. Myślę, że kolejnym obszarem, który będzie miał ogromny wpływ, jest genetyka, a w szczególności genetyka człowieka; w miarę jak przechodzimy, lub raczej przechodzimy na wyższy poziom, do sekwencjonowania tysięcy ludzkich genomów, stanie się możliwe przeprowadzanie badań na poszczególnych jednostkach i ocena, w jaki sposób zmienność DNA wpływa na odpowiedź immunologiczną.

Obecnie większość najlepszych badań nad podstawowymi szlakami obejmuje gryzonie. Gryzonie, a w szczególności myszy, są niezwykle istotne dla naszych studiów. Uważam jednak, że w przyszłości, analizując złożone zjawiska autoimmunologiczne lub inne procesy zachodzące u ludzi, będziemy w stanie robić to w oparciu o ludzkie polimorfizmy genetyczne.

Będziemy w stanie ocenić polimorfizmy, a następnie wykorzystać te informacje, aby spróbować przewidzieć, w jaki sposób wpłyną one na odpowiedzi immunologiczne, i w efekcie przejść do tego, co ja i inni nazywamy spersonalizowanymi terapiami immunologicznymi lub, w szerszym znaczeniu, medycyną personalizowaną. Zatem genetyka będzie miała ogromny wpływ. Już teraz dysponujemy doskonałymi narzędziami w zakresie genetyki myszy.

Możemy wyłączyć dowolny gen, który chcemy. Możemy wyłączyć ekspresję genów w konkretnych typach komórek. Możemy robić niesamowite rzeczy.

Sądzę jednak, że w przyszłości będziemy dążyć do zrozumienia odpowiedzi immunologicznej i odporności z punktu widzenia reakcji organizmu człowieka.