Назад
Исследователи из Университета Макгилла и Национального института рака США) сделали несколько удивительных открытий о нашей иммунной системе.
Используя математическое моделирование для изучения конкретных аспектов иммунных реакций у мышей и людей, их анализ данных показал, что иммунные реакции могут существовать в более широком спектре, чем считалось ранее. Результаты также свидетельствуют о том, что в борьбе между защитными силами организма и нарушителями ключевую роль играют мессенджеры. Эти результаты могут способствовать развитию лечения рака и других видов иммунотерапии.
Лихорадка, кашель, боль в горле - симптомы, оказавшиеся в центре внимания в эпоху COVID-19, - это лишь некоторые из признаков того, что иммунная система нашего организма начинает борьбу с нежелательным вторжением. Иммунный ответ, вызванный инфекцией, аллергеном или вакциной, обусловлен сложным набором клеточных процессов, которые могут протекать в течение нескольких дней или даже недель.
Многое известно о важнейших процессах, происходящих в иммунном ответе. Но из-за огромного количества переменных факторов определение того, на чем следует сосредоточиться при разработке лечения или вакцин, напоминает поиск иголки в стоге сена. Теперь ситуация может измениться благодаря новому исследованию ученых, опубликованному недавно в журнале Science. Оно посвящено фундаментальному процессу в иммунной системе: роли цитокинов в передаче сигналов и запуске ответных реакций организма.
Работу нашей иммунной системы часто характеризуют как битву. Т-клетки перемещаются по кровеносной и лимфатической системам и проникают в ткани, отыскивая антигены. Чтобы не атаковать здоровые клетки без разбора, Т-клетки циркулируют до тех пор, пока не распознают определенный антиген; только после этого они посылают сигналы в виде цитокинов, чтобы активировать систему оповещения и сигнализировать, что не все в порядке.
"Мы можем считать, что в иммунном ответе есть много разных параметров, которые имеют решающее значение - например, количество Т-клеток, вырабатываемых для борьбы с захватчиками, или количество самих захватчиков (антигенов)", - объясняет Пол Франсуа, биофизик, возглавлявший группу анализа данных. "Но главный сюрприз заключается в том, что на самом деле важна сила антигена".
До сих пор было трудно измерить силу антигена - то, насколько эффективно антиген вызывает ответ Т-клеток - независимо от количества антигена, присутствующего в каждом конкретном эксперименте. Но, используя подход, основанный на анализе данных, Франсуа и его коллеги смогли расшифровать весьма изменчивый феномен производства цитокинов и получить надежные показания силы антигена. Это потенциально очень полезно для прогнозирования того, насколько хорошо может подействовать кандидат в вакцины или препарат для иммунотерапии.
Для детального изучения этого явления исследователи разработали роботизированную платформу, позволяющую проводить десятки экспериментов одновременно, подвергая Т-клетки воздействию различных антигенов и условий. Они оптимизировал автоматизированную систему, чтобы собирать огромное количество данных за малую толику времени, которое потребовалось бы для проведения тех же экспериментов вручную. "Сбор всеобъемлющей карты динамики цитокинов, вырабатываемых Т-клетками в самых разных условиях, представляет собой вызов и возможность лучше понять, как Т-клетки "видят" антигенный мир и организуют иммунный ответ", - отметил Франсуа.
Затем ученые использовали машинное обучение для обработки данных, полученных в ходе этих экспериментов, и математические модели для выявления значимых закономерностей в данных. Такое моделирование выявило удивительно простые правила, лежащие в основе того, что в противном случае может показаться очень сложным процессом, зависящим от множества переменных.
Анализ показал, что паттерны высвобождения цитокинов несут информацию о типе встреченного антигена и существует шесть различных клеточных реакций, а не три типа, которые обычно признаются.
Это подтверждает идею о том, что иммунные реакции существуют в виде спектра, а не как бинарный переключатель "включено-выключено", - добавляет Франсуа. "Могут существовать различные уровни иммунного ответа, которые могут быть настроены на нужный уровень тревоги в зависимости от сложности ситуации". Это новое понимание, вероятно, позволит усовершенствовать стратегии иммунотерапии, основанные на использовании Т-клеток, созданных для воздействия на опухоли пациента.
Sooraj R. Achar et al. Универсальное антигенное кодирование активации Т-клеток на основе многомерной динамики цитокинов (аннотация).
Системной иммунологии не хватает основы, с помощью которой можно было бы получить теоретическое понимание многомерных массивов данных. Мы объединили роботизированную платформу с машинным обучением для экспериментального измерения и теоретического моделирования активации CD8+ Т-клеток. Многомерная динамика цитокинов может быть сжата в одном пространстве с низкой размерностью латентного пространства антиген-специфическим образом (так называемое "кодирование антигена"). Мы использовали антигенное кодирование для моделирования и реконструкции паттернов иммунной активации Т-клеток. Модель определила шесть классов антигенов, вызывающих различные Т-клеточные ответы. Мы обобщили кодирование антигенов для различных иммунных условий, включая лекарственные воздействия и активацию химерных антигенных рецепторов Т-клеток.
Такое универсальное кодирование антигенов для активации Т-клеток может способствовать дальнейшему моделированию иммунных ответов и рациональному манипулированию ими для оптимизации иммунотерапии.
