新设备使科学家可以观察细胞如何相互作用

麻省理工学院的研究人员设计了一种微流体装置，使它们能够精确捕获成对的细胞（一个红色，一个绿色），并观察它们如何随着时间而相互作用。

麻省理工学院的工程师开发了一种新设备，使科学家能够观察免疫细胞之间的通讯。

免疫系统是由许多不同细胞共同协作防御入侵者的复杂网络。成功抵抗感染取决于这些细胞之间的相互作用。

麻省理工学院的工程师开发的一种新设备提供了该蜂窝通信的更多详细信息。研究人员已经使用这种捕获细胞对并在彼此相互作用时收集数据的设备，已经了解了更多有关T细胞（免疫反应的主要参与者）在感染过程中如何被激活的信息。

该设备基于麻省理工学院电气工程与计算机科学（EECS）教授乔尔·沃尔德曼（Joel Voldman）在2009年开发的微流体技术。他的团队使用较早的版本将成人细胞与胚胎干细胞融合在一起，从而使研究人员能够观察到这些杂种中发生的基因重编程。

这项研究之后，免疫学家联系了Voldman，想知道该设备是否可以用于研究免疫细胞。“免疫系统中发生的许多事情是细胞通过与其他细胞接触而与其他细胞交谈，” Voldman说，该论文的高级作者之一在1月13日的《自然通讯》上描述了这种新设备。

该论文的主要作者，EECS研究生Voldman和Burak Dura花了几年的时间对该设备进行了重新设计，使其能够与免疫细胞协同工作，该免疫细胞比2009年分析的细胞小得多。麻省理工学院生物学教授，怀特海生物医学研究所成员Hidde Ploegh也是该论文的高级作者。

受控接触

到目前为止，测量两种类型细胞之间相互作用的最常见方法是在试管中将细胞混合在一起并观察它们。但是，这种方法的实用性有限，因为无法保证每个单元仅与一个其他单元交互。

“所有这些不可控制的因素使得很难解释您获得的结果，” Voldman说。

相比之下，Voldman的设备可以完全控制细胞配对。该设备由一个带有细胞捕获杯的芯片组成，该芯片被策略性地布置为捕获和配对细胞。首先，A型细胞沿一个方向流过芯片，并被捕获在单细胞陷阱中。然后，液体的流动被逆转，将A细胞吸入与单个细胞阱相对的更大的阱中。当每个A细胞都在一个大陷阱中时，B细胞就会流入，并且每个人都会在一个大陷阱中加入一个A细胞。

这项技术使研究人员可以随时间追踪数百个细胞对，并监视每个细胞中正在发生的事情，而这是以前不可能做到的。它还允许他们精确地控制细胞相互作用的时间。

杜拉说：“我们知道确切的接触时间，只要它们在杯子内，我们就可以保持接触。”“这不仅使我们能够测量单个细胞的参数，而且还能对两个细胞进行测量，并使响应相互关联。”

在该设备的新版本中，研究人员增加了高分辨率成像功能，使他们能够查看细胞钙水平何时波动以及何时开启一种称为磷酸化的蛋白质信号传导。

乔治亚理工学院化学与生物分子工程教授，未参与这项研究的杭航说：“这是进行这些实验的一种非常优雅的方式。”“它的控制非常好，您确切地知道了在哪里寻找这些细胞，这使它们成像效率极高且通量很高。”

发起免疫反应

在《自然通讯》的论文中，杜拉与怀特海德研究所的前博士后斯蒂芬妮·道甘一起研究了T细胞和B细胞之间的相互作用，这是引发免疫反应的关键。当B细胞遇到病毒或细菌时，它们会吸收它们并在其细胞表面显示出病毒或细菌蛋白碎片（称为抗原）。当这些B细胞遇到带有识别抗原的受体的T细胞时，这些T细胞就会被激活，从而激发它们释放细胞因子（控制免疫反应的炎症化学物质）或寻找并摧毁受感染的细胞。

尽管在这项研究中所有的T细胞都具有相同的T细胞受体，但MIT小组发现，它们在遇到表面上携带相同抗原的B细胞后，反应并不完全相同。

研究人员使用钙成像测量T细胞活化，发现其初始活化水平取决于呈递的抗原量。在高水平下，大多数细胞以相同的方式反应。但是，在较低的抗原水平下，T细胞反应差异很大。这些差异也与T细胞细胞因子产生的差异相关。

在未来的研究中，研究人员希望进一步追踪T细胞如何通过决定其最终命运的决策过程。他们还计划研究其他类型的相互作用，例如，称为自然杀伤细胞的免疫细胞如何识别和破坏癌细胞。

该研究由新加坡-MIT联盟，AACR-胰腺癌行动网络，Janssen Pharmaceuticals和Frank快速学院研究创新奖学金资助。

出版物：Burak Dura等人，“通过微流体细胞配对在单细胞水平上分析淋巴细胞相互作用，”《自然通讯》第6期，文章编号：5940; doi：10.1038 / ncomms6940

图像：布拉克·杜拉（Burak Dura）