Nouă tehnică de imagistică nedistructivă monitorizează sănătatea celulelor imune
Când un pacient se confruntă cu anumite tipuri de cancer sau condiții imunologice, clinicienii se concentrează pe celulele albe din sânge pentru a obține indicii despre evoluția acestor boli și tratamentele asociate.
Dintr-o simplă recoltare de sânge, un laborator clinic izolează celulele mononucleare din sânge periferic (PBMC), care sunt predominant celule imune, și apoi numără abundența diferitelor tipuri de celule, împreună cu câteva măsuri de bază ale funcționării acestora.
„PBMC-urile pot fi izolate foarte ușor în clinică și sunt deja utilizate în fluxul de lucru clinic”, afirmă Melissa Skala, investigator în inginerie biomedicală la Morgridge Institute. „Așadar, întrebarea este: ce putem obține de la ele pe care nu îl obținem deja?”
Skala și echipa sa de la Morgridge Institute, inclusiv studentul la doctorat Jeremiah Riendeau, lucrează la aplicarea tehnicilor avansate de imagistică pentru a extrage cât mai multe informații din celulele imune. În acest proces, ei speră să îmbunătățească diagnosticul și tratamentul condițiilor legate de sistemul imunitar, cum ar fi cancerele de sânge, lupusul, sepsisul și declinul cognitiv. De asemenea, PBMC-urile reprezintă materialul de bază pentru terapiile cu celule CAR T, care inginerizează celulele imune ale pacientului pentru a lupta împotriva anumitor tipuri de cancer. O mai bună înțelegere a dinamicii imune în aceste celule inginerizate în moduri mai nuanțate și cuprinzătoare decât cele disponibile în prezent pentru clinicieni ar putea îmbunătăți rezultatele pacienților care urmează tratamente precum terapia cu celule CAR T.
Anterioarele tehnici de măsurare a metabolismului celulelor imune necesitau izolarea tipurilor individuale de celule sau adăugarea de marcaje chimice care evidențiau prezența sau absența metabolitelor. Cu noul studiu, Riendeau afirmă că echipa de cercetare a reușit, pentru prima dată, să observe cu exactitate starea metabolică a celulelor imune individuale dintr-un eșantion complex de PBMC printr-o analiză nedistructivă. Atunci când este combinată cu tehnicile clinice actuale, aceasta poate oferi un nivel mai înalt de informație dincolo de simplele numărări de celule.
Capacitatea de a învăța mai multe despre celulele imune și funcția lor fără a le distruge înseamnă că tehnica ar putea fi utilizată în aplicații precum evaluarea stării de sănătate a celulelor imune înainte de a fi administrate ca tratament.
„Puteți continua să folosiți eșantioanele după această analiză”, spune Riendeau. Cu alte tehnici, „dacă doriți să studiați metabolismul, trebuie să adăugați diferite reactivi la eșantion, iar acest lucru poate fi dăunător celulelor.”
Skala adaugă că „multe dintre materialele de bază pentru terapiile celulare sunt PBMC-uri. Dacă ați putea face ceva pentru a evalua starea de sănătate a acestor celule înainte de a le procesa pentru terapia celulară, ar fi foarte util.”
Pentru a realiza imagistica nedistructivă și de înaltă rezoluție, echipa a utilizat o tehnică dezvoltată de Skala Lab, numită imagistica metabolică optică (OMI), pe eșantioane de PBMC-uri nediferențiate izolate din sângele donat de trei voluntari umani. Cu OMI, un microscop sensibil emite doi fotoni de lungă undă, care nu dăunează materialului la fel de mult ca cei de lungă undă scurtă, dar au același efect asupra eșantionului. Aceasta excită fluorescența inerentă a produselor metabolismului celular și permite cercetătorilor să identifice dacă PBMC-urile sunt metabolic active sau quiescente.
În acest studiu, au realizat acest lucru cu o precizie de 93% la doar două ore după stimularea celulelor. În plus, au putut identifica specific monocitele quiescente și activate cu 96% și, respectiv, 88% precizie, iar celulele naturale ucigașe (NK) în ambele stări cu 74% precizie. Deși metodele care utilizează marcaje pentru a identifica celulele imune și metabolismul acestora au o acuratețe de până la 100%, noua tehnică are avantajul distinct de a nu necesita manipularea destructivă a PBMC-urilor. Acest lucru face ca OMI să fie potrivită pentru monitorizarea comportamentului celulelor individuale în timp, păstrând eșantioanele pentru aplicații ulterioare.
În continuare, echipa speră să colaboreze cu spitale pentru a dezvolta aplicații clinice pentru această analiză și a aduce rezultate mai bune în diagnostic și tratament pentru pacienții cu cancer și afecțiuni ale sistemului imunitar.
Nu toate laboratoarele au acces la un microscop cu doi fotoni, astfel că parte din cercetarea desfășurată vizează să facă aceste informații metabolice fără marcaje accesibile pentru mai multe laboratoare. Echipa lucrează la comercializarea tehnologiei pentru a face această măsurătoare mai disponibilă. Ideea este că, acum că înțelegem cum arată lucrurile într-un eșantion relevant, alte laboratoare pot avea acces la aceste informații și le pot utiliza și ele.”
PBMC-urile sunt orice celulă sanguină cu un singur nucleu și constau în principal din celule imune sau celule albe din sânge. Acestea includ celule din sistemele imune înnăscute și adaptive. Celulele imune înnăscute, cum ar fi celulele NK și monocitele, sunt nespecifice, ceea ce înseamnă că reacționează la orice invadatori străini pe care îi întâlnesc și pot distruge celulele infectate sau canceroase înainte de a provoca probleme. Sistemul imunitar adaptativ, care include tipuri de celule T și B, învață din infecțiile anterioare și vizează antigene specifice de pe celulele străine.
„Celulele imune înnăscute,” spune Riendeau, „sunt ca primii respondenți, iar mai târziu celulele imune adaptive intervin și ajută cu o abordare mai specifică.”
Cercetătorii au descoperit în noul studiu că celulele imune înnăscute sunt cele mai distincte metabolic, ceea ce este probabil datorat capacității lor de a reacționa rapid la amenințări și de a-și intensifica activitatea. Între timp, celulele imune adaptive se activează mai lent și trebuie să fie capabile să susțină energia pe perioade mai lungi. Totuși, o activitate metabolică crescută nu este întotdeauna benefică, iar în condiții legate de inflamația cronică, marcajele de activare pot indica că ceva nu este în regulă.
„În general, nu doriți să aveți reacții imune constante și continue. Astfel, celulele imune din fluxul sanguin sunt menținute într-o stare quiescentă. Dar când există o infecție sau o altă problemă, cum ar fi cancerul, aceasta ar provoca o reacție imunitară și activarea căilor metabolice,” explică Riendeau. „Înțelegerea cantităților relative de celule albe din sânge este deja folosită ca biomarker de diagnostic. Adăugând această componentă metabolică, putem obține informații suplimentare despre starea de activare a celulelor imune.”
Riendeau afirmă că noua tipologie de analiză folosind OMI poate face sens din stările metabolice heterogene dintre tipurile de celule. De exemplu, un subset de celule imune ar putea
