Limfocyty T polują na pasożyty i jak drapieżne zwierzęta wyszukują swojej ofiary – ujawniają nowe badania Penn Vet-Penn Physics

Poprzez połączenie dokładnej wiedzy z zakresu systemu immunologicznego z dogłębnym zrozumieniem statystycznej fizyki, zespół z Uniwersytetu w Pensylwanii natrafił na zaskakujące odkrycie: limfocyty T wykorzystują strategię ruchową w celu usidlenia pasożytów. Co ciekawe, podobną strategię stosują drapieżniki, takie jak małpy, rekiny oraz tuńczyki błękitnopłetwe, kiedy polują na swoją ofiarę.

Dzięki nowemu spojrzeniu na wzorce ruchowe komórek odpornościowych, naukowcy będą zdolni do stworzenia dokładnego modelu układu immunologicznego, co może być krokiem do stworzenia innowacyjnych metod zwalczania wielu chorób, od raka po HIV/AIDS.

W badaniu udział wzięli Christopher Hunter, profesor i przewodniczący Wydziału Patobiologii w Weterynaryjnej Szkole Medycznej w Pensylwanii oraz Andrea Liu, profesor fizyki na Wydziale Fizyki i Astronomii. Habilitowany naukowiec z Penn Vet, Tajie Harris oraz absolwent fizyki, Edward Banigan, również odegrali istotną rolę w badaniu.

Cała analiza, która zostanie opublikowana w dzienniku Nature, była przeprowadzona przy użyciu myszy, zakażonych pasożytem zwanym Toxoplasma gondii. Ten jednokomórkowy patogen, jest powszechną przyczyną infekcji u ludzi i zwierząt, jako że jedna trzecia populacji na świecie posiada w mózgu tą samą formę infekcji, tyle że uśpioną. Jednakże, u osób po immunosupresji,  chorych na HIV/AIDS lub po przeszczepie narządu, tego typu infekcja może mieć poważne konsekwencje, wliczając w to zapalenie mózgu, a nawet śmierć.

Wcześniejsze prace wykazały, że limfocyty T, istotny typ komórek odpornościowych, pełnią ważne funkcje w zapobieganiu chorobom spowodowanym przez Toxoplasmę gondii. W nowych badaniach, naukowcy z Penn wykorzystali zakażone myszy jako naturalny model układu odpornościowego, aby dowiedzieć się w jaki sposób ruchy limfocytów T w mózgu wpływają na zdolność ciała do kontrolowania powstałej infekcji.

Pośród immunologów, powszechnie wierzy się, że ruch komórek odpornościowych jest częściowo zarządzany przez białka sygnalizacyjne o nazwie chemokiny. Głównodowodzący zespół naukowców z Penn Vet wykazał, że specyficzna chemokina CXCL10 i jej receptor zostały obficie wyprodukowane w mózgach myszy zainfekowanych pasożytem T. gondii. Kiedy CXCL10 została zablokowana, liczba limfocytów T zmniejszyła się, obciążenie pasożytem było większe, a jego reprodukcja stała się aktywna.

Następnie naukowcy starali się wykazać dokładne wzorce ruchowe komórek T w żywej tkance zakażonych myszy.  Było to możliwe za pomocą obrazowania wielu fotonów, techniki polegającej na wykorzystaniu precyzyjnego, potężnego mikroskopu, który jest w stanie wyświetlić żywą tkankę w trzech wymiarach w czasie rzeczywistym. Używając tego innowacyjnego kroku zespół odkrył, że CXCL10 zaczęła odgrywać swoją rolę z taką prędkością, z jaką limfocyty T były w stanie wyszukać i skontrolować zakażenie.

Jak do tej pory immunolodzy potwierdzali istnienie wzorców ruchowych komórek T, ale wielu przypuszczało, że będą poruszały się one w mocno sprecyzowanym kierunku w celu odnalezienia zakażonych komórek. Po analizie ruchu limfocytów T odkryli, że ich poprzednie dane nie pasują do tego, co się wydarzyło: komórki T nie wykazały ukierunkowanego ruchu.

W tym momencie wkroczyli eksperci fizyki statystycznej, Liu i Banigan.

„Przyjrzeliśmy się o wiele bardziej kompletnemu sposobowi na określenie ścieżek i odkryliśmy, że model standardowy w ogóle nie pasuje”, powiedziała Liu. „Po pewnych próbach zdecydowaliśmy się znaleźć model, który pasuje idealnie.”

„Model, który w końcu naprowadził nas na odpowiednią drogę, na mocną sygnaturę czegoś naprawdę interesującego”, powiedział Banigan. Model ten znany jest jako spacer Lévy'ego.

Ten „spacer” lub też matematycznie scharakteryzowana droga, składa się z wielu krótkich „kroków” oraz niewielu długich „biegów”. Nie był on jednak całkowicie spójny z posiadanymi danymi.

„Musiałem spojrzeć na różne wariacje spaceru  Lévy'ego”, powiedział Banigan, ponieważ naukowcy również zaobserwowali, że limfocyty T robiły przerwy między krokiem i biegiem. Podobnie jak ruchy komórek, przerwy te były zazwyczaj krótsze i czasami dłuższe.

Hunter porównał ten model do strategii używanej przez ludzi, którzy próbują znaleźć w domu zaginione klucze. „Kiedy zgubisz klucze, w jaki sposób ich szukasz? Przez pewien czas przeszukujesz jedno miejsce, później idziesz do innego i szukasz tam”, wyjaśnia.

„Jest to bardzo skuteczny sposób znajdywania rzeczy”, powiedziała Liu.

I w rzeczy samej, kiedy zespół porównał strategię  Lévy'ego do innych strategii, przyznał, że spacer  Lévy'ego był najbardziej skuteczną metodą na odnalezienie obranego celu. Jest to pewne uzasadnienie dla ruchu limfocytów T, które muszą zlokalizować rozproszone pasożyty w morzu normalnej tkanki.

Co ciekawe, komórki T nie są samotne w wykorzystywaniu strategii Lévy'ego w odnajdywaniu konkretnego celu. Część zwierząt drapieżnych porusza się w podobny sposób: za pomocą wielu krótkodystansowych ruchów przeplatanych rzadkimi podłużnymi ruchami, stara się wytropić ofiarę. Strategia ta wydaje się szczególnie powszechna wśród drapieżników morskich, wliczając w to tuńczyki, rekiny, zooplankton, żółwie wodne i pingwiny. Choć niektóre gatunki zwierząt lądowych, jak czepiaki (rodzaj małp) czy pszczoły, mogą używać tej samej techniki w celu zlokalizowania rzadkich zasobów.

Ta paralela ze zwierzęcymi drapieżnikami również ma sens, ponieważ pasożyty, podobnie jak ofiary, próbują uchronić się przed wykryciem.

„Wiele patogenów wie, w jaki sposób się ukrywać, więc limfocyty T nie są w stanie w sposób prosty odnaleźć swojego celu”, powiedział Hunter. „W rzeczywistości, komórki T potrzebują przeszukać teren i sprawdzić, czy już nic nie pozostało.”

"Model ten jest również istotny dla tematu zachorowań na raka oraz innych chorób związanych z układem odpornościowym”, zauważył Hunter.

„Zamiast szukać pasożytów, limfocyty T mogłyby zająć się odnalezieniem komórek rakowych”, stwierdził. „Dzięki temu, że wiemy co powoduje ruch komórek T, możemy być w stanie opracować strategię, dzięki której poszukiwania prowadzone przez limfocyty T będą bardziej skuteczne”.

Ze strony fizycznej,  podczas gdy spacer  Lévy'ego nie jest nowością, fakt, że komórki T robią przerwę między krokami i biegiem, był jak do tej pory nieznany.

„Z fizycznego punktu widzenia, bieg i towarzyszące mu pauzy, tworzą nowy model”, mówi Liu. „Biologiczne zjawisko może ilustrować coś, o czym nawet byśmy nie pomyśleli”.

Współpracownicy z Penn Vet pracują nad splotem ścieżek różnych typów komórek i wierzą w ich wyjątkowe partnerstwo, ważne dla nowego odkrycia.

„Powiedzieliśmy już wszem i wobec, że nasze badanie zakończyło się sukcesem, dzięki wiedzy naszych współpracowników fizyków oraz naszej oddzielnej ekspertyzie”, wyznał Tajie Harris. „Mieliśmy okazję razem współpracować i okazało się, że naprawdę było warto”.