Die Sprache der Immunantworten entschlüsseln

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines menschlichen T-Lymphozyten (auch T-Zelle genannt) aus dem Immunsystem eines gesunden Spenders. Kredit: NIAID

Fieber, Husten, Halsschmerzen – Symptome, die im Zeitalter von COVID-19 im Rampenlicht stehen – sind nur einige der verräterischen Anzeichen dafür, dass das Immunsystem unseres Körpers gegen einen unerwünschten Eindringling aktiv wird. Unabhängig davon, ob sie durch eine Infektion, ein Allergen oder einen Impfstoff ausgelöst werden, werden Immunantworten von einer komplexen Reihe zellulärer Prozesse gesteuert, die über Tage oder sogar Wochen stattfinden können.

Über die globalen Prozesse, die an Immunantworten beteiligt sind, ist viel bekannt. Aber aufgrund der großen Anzahl an beteiligten Variablen gleicht die Bestimmung, worauf man sich bei der Entwicklung von Behandlungen oder Impfstoffen konzentrieren sollte, der Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Das könnte sich jetzt ändern, dank einer neuen Studie von Forschern der McGill University und des US National Cancer Institute (NCI), die kürzlich in veröffentlicht wurde Wissenschaft. Er konzentrierte sich auf einen grundlegenden Prozess des Immunsystems: die Rolle von Proteinen, die als Zytokine bezeichnet werden, bei der Signalisierung und Initiierung von Körperreaktionen.

Die entscheidende Rolle der Boten

Unser Immunsystem wird oft als Kampf bezeichnet. Bestimmte kritische weiße Blutkörperchen (T-Zellen genannt) wandern durch das Blut- und Lymphsystem und in Gewebe und suchen nach Spuren von Mikroorganismen und anderen Eindringlingen, die Antigene genannt werden. Um zu vermeiden, dass gesunde Zellen wahllos angegriffen werden, zirkulieren T-Lymphozyten, bis sie ein spezifisches Antigen erkennen; erst dann senden sie Botenstoffe in Form von Zytokinen, um ein Warnsystem zu aktivieren und zu signalisieren, dass nicht alles in Ordnung ist.

„Man könnte denken, dass es viele sehr unterschiedliche Parameter in der Immunantwort gibt, die entscheidend sind – zum Beispiel kann die Anzahl der T-Zellen, die zur Bekämpfung von Eindringlingen produziert werden, oder die Anzahl der Eindringlinge (Antigene) selbst variieren“, sagt Paul François, the McGill Biophysiker, der das Datenanalyseteam leitete, zu dem auch ein Doktortitel in Physik von McGill gehörte. Studenten François Bourassa und Thomas Rademaker. „Aber die große Überraschung ist, dass es wirklich auf die Stärke des Antigens ankommt.“

Rechnen hilft, das Wesentliche zu erkennen

Bisher war es schwierig, die Antigenstärke zu messen – zu sehen, wie effektiv ein Antigen die T-Zell-Antwort auslöst – unabhängig davon, wie viel Antigen in einem bestimmten Experiment vorhanden ist.

Aber mit einem datengesteuerten Ansatz und durch entscheidende Zusammenarbeit mit dem NCI konnten Francois und seine Kollegen das sehr variable Phänomen der Zytokinproduktion entschlüsseln, um eine zuverlässige Anzeige der Antigenstärke zu erhalten. Dies ist möglicherweise sehr nützlich bei der Vorhersage der Wirksamkeit eines Impfstoffkandidaten oder Immuntherapeutikums.

Um dieses Phänomen im Detail zu untersuchen, entwickelten NCI-Forscher unter der Leitung von Grégoire Altan-Bonnet eine Roboterplattform, um Dutzende von Experimenten gleichzeitig durchzuführen und T-Zellen verschiedenen Antigenen und Bedingungen auszusetzen. Sooraj Achar, ein Doktorand am Altan-Bonnet-Labor, optimierte das automatisierte System, um große Datenmengen in einem Bruchteil der Zeit zu sammeln, die für die Durchführung derselben Experimente von Hand gedauert hätte.

„Das Zusammenstellen einer umfassenden Karte der Zytokindynamik, die von T-Zellen in einer Vielzahl von Kontexten erzeugt wird, stellt eine Herausforderung und eine Gelegenheit dar, um besser zu verstehen, wie T-Zellen die antigene Welt ‚sehen‘ und Immunantworten orchestrieren“, betonte Altan-Bonnet.

Die Mitglieder des McGill-Teams verwendeten dann maschinelles Lernen, um die durch diese Experimente generierten Daten zu verarbeiten, und mathematische Modelle, um aussagekräftige Muster in den Daten zu erfassen. Diese datengesteuerte Modellierung enthüllte überraschend einfache Regeln im Kern dessen, was ansonsten als sehr komplexer Prozess erscheinen könnte, der mehreren Variablen unterliegt.

Ein Spektrum von Immunreaktionen?

Die Analyse zeigte auch, dass Zytokin-Freisetzungsmuster Informationen über die Art des angetroffenen Antigens enthielten und sechs unterschiedliche zelluläre Reaktionen statt der drei normalerweise erkannten Typen unterschieden.

“Dies unterstützt die Idee, dass Immunantworten entlang eines Spektrums existieren und nicht als binärer Ein-Aus-Schalter”, fügt François hinzu. „Es kann verschiedene Ebenen der Immunantwort geben, die je nach Komplexität der Situation auf die richtige Alarmstufe eingestellt werden können.“

Dieses neue Verständnis hat das Potenzial, Immuntherapiestrategien zu verbessern, die auf T-Zellen beruhen, die auf die Tumore eines Patienten abzielen.


Studie liefert neue Einblicke in die grundlegende Funktionsweise des Immunsystems als Reaktion auf eine Therapie zur Behandlung von Hautkrebs


Mehr Informationen:
Sooraj R. Achar et al., Universelle antigene Codierung der T-Zell-Aktivierung aus hochdimensionaler Zytokindynamik, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.abl5311

Bereitgestellt von der McGill University

Zitieren: Decoding the Language of Immune Responses (2022, 2. Juni) Abgerufen am 4. Juni 2022 von https://phys.org/news/2022-06-decoding-language-immune-responses.html

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