Миниатюризированный чип костного мозга отслеживает человеческие иммунные клетки при построении долгосрочной защиты антител

Костный мозг представляет собой сеть микросред. Научная группа разработала лабораторную модель, которая раскрывает, как плазматические клетки, продуцирующие антитела, мигрируют, созревают и выживают в костном мозге человека, основном месте нахождения долгоживущих плазматических клеток, продуцирующих антитела. Платформа объединяет органоид, имитирующий лимфатический узел, с чипом ткани, который имитирует костный мозг, позволяя ученым наблюдать ключевые стадии развития плазматических клеток, которые было трудно изучать у людей.

Анализ клеток в чипе ткани предоставляет необходимую новую информацию, которая расширяет наше понимание развития и функции плазматических клеток. Эта модель также поддерживает тестирование новых методов лечения для профилактики инфекций, подавления аллергии и снижения аутоиммунитета. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

"Эта инновационная биоинженерная платформа предоставляет окно в скрытый аспект функционирования иммунной системы человека", - сказал Джон Х. Пауэрс III, исполняющий обязанности директора Национального института аллергии и инфекционных заболеваний (NIAID) при NIH.

"Эмулируя ключевые элементы иммунной системы в этой системе лимфоидного и костномозгового чипа, этот инструмент предоставляет возможности для получения новых знаний, которые существующие модели не предлагают."

Плазматические клетки являются важным компонентом иммунной системы. Они производят антитела, которые помогают защитить от инфекций, но когда производство антител идет неправильно, они могут привести к аутоиммунному заболеванию и аллергии. Если они чрезмерно размножаются, они также могут вызвать рак крови.

Долгоживущие плазматические клетки в костном мозге необходимы для поддержания производства антител и долгосрочного иммунитета после инфекции или вакцинации. Однако то, как эти клетки мигрируют и закрепляются в костном мозге и как они сохраняются у людей, оставалось плохо изученным.

"Наш подход был направлен на решение фундаментальных вопросов и продвижение подходов для трансляции этих результатов", - сказал Анкур Сингх, профессор биоинженерии и директор Центра иммунной инженерии в Технологическом институте Джорджии, Атланта.

"Фундаментальный вопрос, который рассматривает наше исследование, заключается в том, почему, когда B-клетки готовы производить антитела, они переходят из лимфатических узлов, селезенки и других органов и входят в костный мозг, чтобы в нем поселиться. Другой вопрос - роль, которую окружающая среда костного мозга играет в ориентировании этих клеток и их реакции на повторное заражение."

Сингх возглавляет команду Технологического института Джорджии, которая разработала человеческий лимфоидный органоид, выделив B-клетки из ткани небных миндалин человека и источников крови и выращивая их в микросреде, которая имитирует лимфоидную ткань.

На этом этапе исследования они преодолели проблемы при культивировании B-клеток и стимулировании их трансформации в плазматические клетки, секретирующие антитела в органоиде, используя инактивированный вирус гриппа для стимулирования этого процесса. Этот метод генерировал достаточное количество плазматических клеток, секретирующих антитела, для использования в их экспериментах с системой костномозгового чипа.

Лаборатория Кришнендру Роя, Университет Вандербильта, спроектировала костномозговой чип, используя сложную микрофлюидную васкуляризованную микросреду, которая тесно имитирует условия, обнаруженные в костном мозге человека.

"Мы никогда не сможем воспроизвести полную сложность человеческого организма", - сказал Рой. "Однако мы пытаемся имитировать структуру, фундаментальные биологические функции и пространственные микросреды, чтобы задавать вопросы о поведении органов человека в этой более упрощенной модели."

Модель костномозгового чипа человека собирается в стопку из 96-луночных пластиковых пластин размером три на пять дюймов (7,6 на 12,7 сантиметра), каждая толщиной менее половины дюйма (1,3 сантиметра). Внутренняя часть чипа пересечена многочисленными каналами и покрыта гелеобразным материалом, который является подобием костного мозга и содержит питательные вещества и факторы роста, поддерживающие функцию и поддержание плазматических клеток.

Слои конструкции чипа соответствуют области на внешнем краю полости костного мозга, известной как эндостальная подниша, где плазматические клетки хранятся до необходимости. Модель также воспроизводит область глубже внутри центра костного мозга, известную как перивascular подниша, которая окружает сеть кровеносных сосудов, где плазматические клетки размножаются и активируются.

Система костномозгового чипа облегчает визуализацию плазматических клеток для интерпретации их активности в ответ на сигнальные белки. Это также делает возможным систематическое изучение влияния различных биологических ниш в костном мозге на дифференцировку и долговечность плазматических клеток.

"Почти невозможно достичь высокого разрешения при визуализации плазматических клеток в живом костном мозге человека", - сказал Сингх. "Вы можете добиться некоторого уровня визуализации в костном мозге мыши, и до сих пор люди сосредотачивались именно на этом."

Модель органоида может быть засеяна клетками из уникальных популяций пациентов для изучения влияния старения на функцию плазматических клеток, или клетками от людей с аутоиммунными или аллергическими заболеваниями для понимания того, как производятся и поддерживаются плазматические клетки, способствующие аутоиммунитету или аллергии.

Исследователи отмечают, что есть много вопросов, на которые они все еще хотели бы ответить, например, почему B-клетки демонстрируют "стоп-и-движение" паттерн движения и является ли этот паттерн движения частью постоянной миграции в более широкой структуре костного мозга.