Т-клетки умеют «чувствовать» ткань и это может менять иммунную память

Жесткость окружающей ткани оказалась не просто препятствием для иммунной клетки, а сигналом, способным изменить ее дальнейшую судьбу

Иммунная клетка получает информацию не только от молекул

Мы привыкли представлять иммунную систему как огромную сеть химических сигналов. Антиген сообщает T-клетке, кого распознавать. Цитокины регулируют ее активность. Хемокины помогают понять, куда двигаться.

Но ткань — это еще и физическая среда.

Лимфатический узел, легкое, печень или мышца различаются не только набором молекул. Они отличаются плотностью, архитектурой и жесткостью. Чтобы двигаться внутри них, T-клетке приходится протискиваться между клетками и волокнами внеклеточного матрикса, постоянно деформируя собственное тело и ядро.

Исследование, опубликованное в Nature Immunology, показывает, что для активированной CD8+ T-клетки эти механические условия могут быть самостоятельным источником информации.

Клетка, похоже, способна буквально ощущать, насколько трудно ей двигаться.

И это ощущение влияет на работу ее генов.

Зачем иммунитету клетки, которые остаются на месте

После инфекции часть CD8+ T-клеток превращается в клетки памяти. Некоторые из них циркулируют по организму, но существует особая популяция — тканевые резидентные T-клетки памяти, или TRM-клетки.

Они остаются непосредственно в тканях: например, в коже, легких или кишечнике.

Это своеобразная местная иммунологическая охрана. Если знакомый возбудитель снова появляется в той же ткани, TRM-клеткам не требуется ждать прибытия подкрепления из крови. Они уже находятся на месте и способны быстро включиться в ответ.

Однако та же способность закрепляться в ткани имеет обратную сторону. Такие клетки могут участвовать в аутоиммунных заболеваниях, аллергическом воспалении и отторжении трансплантата.

Поэтому один из важных вопросов иммунологии звучит так: что заставляет активированную T-клетку перейти от обычного эффекторного состояния к долговременному проживанию в ткани?

До сих пор основное внимание уделялось молекулярным сигналам окружающей среды. Новая работа показывает, что в этот выбор может вмешиваться еще один фактор — механическая нагрузка.

Как ученые заставили T-клетки почувствовать разницу

Исследователи создали трехмерные коллагеновые матрицы разной жесткости и поместили туда предварительно активированные CD8+ T-клетки.

Это важно: клетки сначала активировали, а уже затем меняли физические условия вокруг них. Таким образом ученые могли исследовать именно влияние механической среды, а не различия в первоначальной активации иммунного ответа.

Один коллагеновый гель был относительно мягким, другой — примерно в три раза жестче по данным наноиндентации.

В этих матрицах T-клетки могли самостоятельно двигаться.

И довольно быстро стало понятно, что для клетки это не просто два варианта одного и того же лабиринта.

В жестком коллагене T-клетки двигались медленнее. Через 24 часа они становились более округлыми и крупными, увеличивались и их ядра. Одновременно возрастала экспрессия ламинов A/C — белков, формирующих важную часть механического каркаса ядерной оболочки.

Такая реакция наблюдалась не только в клетках мышей. Повышение ламинов A/C в жесткой среде исследователи обнаружили и в активированных CD8+ T-клетках, полученных из крови здоровых людей.

Самое уязвимое место клетки оказалось внутри нее

Здесь исследование делает особенно интересный поворот.

Чтобы пройти через плотную ткань, T-клетке приходится менять форму. Но вместе с клеткой деформируется ее ядро, внутри которого находится ДНК.

Возникает своеобразный инженерный конфликт.

Слишком жесткое ядро мешает клетке протискиваться через узкие пространства. Слишком податливое легче деформируется и может хуже защищать генетический материал.

Исследователи обнаружили признаки того, что в жесткой среде этот компромисс становится реальной биологической проблемой.

У T-клеток увеличивалась доля клеток с высоким уровнем γ-H2AX — маркера, используемого для выявления повреждений ДНК. Одновременно усиливался сигнал pChk1, участвующего в реакции клетки на повреждение генетического материала.

Частота клеток с высоким γ-H2AX была примерно в 3,1 раза выше в жесткой среде, а экспрессия pChk1 — примерно в 1,6 раза выше.

Когда ученые фармакологически блокировали один из путей восстановления ДНК, признаки повреждений в жесткой матрице усиливались еще больше.

То есть механическая нагрузка была достаточно серьезной, чтобы клетке приходилось защищать и ремонтировать собственный геном.

Иногда клетке приходится остановиться, чтобы отремонтировать себя

Реакция затронула и клеточный цикл.

В мягкой матрице около 27% исследованных CD8+ T-клеток находились в фазе G1. В жесткой — около 53%.

Это соответствует замедлению продвижения по клеточному циклу.

Проще говоря, столкнувшись с повышенной механической нагрузкой и повреждениями ДНК, клетка, по-видимому, переключает часть ресурсов с размножения на сохранение собственной целостности.

Именно здесь физика ткани начинает превращаться в иммунологию.

Потому что изменения не ограничились формой клетки или ремонтом ДНК.

Они дошли до программы работы генов.

Жесткая ткань перепрограммировала тысячи генов

Когда исследователи сравнили экспрессию генов T-клеток после пребывания в мягкой и жесткой матрицах, различия оказались масштабными.

Было выявлено 9 117 дифференциально экспрессируемых генов.

Для сравнения: между T-клетками, находившимися в мягком геле, и клетками, остававшимися в обычной культуральной среде, при использованных критериях различались всего три гена.

Это один из ключевых результатов работы.

Жесткость среды оказалась способна вызвать широкую транскрипционную перестройку — изменение того, какие гены клетка использует активнее, а какие подавляет.

Но еще интереснее оказалось направление этой перестройки.

Физическое давление стало похоже на команду «останься здесь»

Исследователи сравнили полученную генетическую программу с известной программой тканевых резидентных CD8+ T-клеток памяти.

Совпадение оказалось заметным.

Из 57 генов, составлявших использованную авторами основную TRM-сигнатуру, 55 определялись в эксперименте, а 42 входили в число генов, изменявших активность между мягкой и жесткой средой.

Особенно показательно изменение молекул, связанных с перемещением клетки.

Например, снижалась экспрессия CD62L — белка, помогающего T-клеткам возвращаться в лимфоидные органы. Доля CD62L-положительных клеток уменьшалась примерно с 95% в мягкой среде до 60% в жесткой.

Одновременно повышалась экспрессия ICOS и ряда других признаков, связанных с тканевым резидентным состоянием.

Получается необычная картина.

Клетка сталкивается с более жестким физическим окружением — и начинает менять программу так, словно готовится не продолжать циркуляцию, а приспосабливаться к жизни внутри ткани.

Механическая среда добралась до переключателей клеточной судьбы

Изменения затронули несколько транскрипционных факторов — белков, управляющих активностью целых групп генов.

В жесткой среде повышалась активность Runx3 и Hic1, которые связаны с формированием тканевых резидентных T-клеток памяти.

Напротив, снижалась активность KLF2.

Это особенно интересно, поскольку уменьшение KLF2 связано с потерей программ, необходимых T-клетке для выхода из ткани и рециркуляции.

Другими словами, механическое воздействие меняло не просто отдельные поверхностные маркеры. Оно затрагивало регуляторные механизмы, способные направлять дальнейшую судьбу клетки.

И этот эффект обнаружили как в мышиных, так и в человеческих CD8+ T-клетках для части изученных механизмов.

Но какой именно «датчик жесткости» работает в T-клетке, пока неизвестно

Логичный следующий вопрос — чем именно T-клетка измеряет механические свойства окружающей среды?

Ответа пока нет.

Исследователи проверили несколько известных систем механочувствительности, включая YAP/TAZ, интегрин-зависимый путь, cPLA2, миозин II и ламин A/C.

Некоторые из этих механизмов действительно менялись при повышенной нагрузке. Например, в жесткой среде усиливались компоненты пути YAP/TAZ.

Однако блокирование или генетическое выключение проверенных механизмов не устраняло формирование TRM-подобного состояния.

То есть ученые получили редкую и важную ситуацию: сам феномен уже достаточно хорошо виден, но молекулярный сенсор, запускающий его, еще предстоит найти.

Это одно из главных ограничений исследования и одновременно его следующий научный вопрос.

Клетка словно запоминает физическую среду

Еще один эксперимент показал, что эффект не исчезал сразу после возвращения клеток в обычные условия.

T-клетки сначала в течение 24 часов находились в мягкой или жесткой коллагеновой матрице, затем их извлекали и еще сутки выращивали в суспензии.

Различия в экспрессии Runx3, Klf2, Xcl1 и Itga1 сохранялись.

Затем исследователи проверили, влияет ли такая предварительная механическая «настройка» на поведение клеток уже в организме мыши.

Через семь дней после переноса клетки, предварительно находившиеся в жесткой среде, чаще демонстрировали признаки TRM-подобного состояния, чем клетки после мягкой матрицы.

Это не доказывает существование отдельной «механической памяти» в привычном смысле слова. Но показывает, что кратковременное воздействие физических условий может оставлять достаточно устойчивый след в состоянии T-клетки.

Настоящие ткани тоже сильно различаются по жесткости

Коллагеновый гель — искусственная экспериментальная система. Поэтому исследователи измерили механические свойства тканей мышей.

Лимфатические узлы и селезенка оказались относительно мягкими: примерно 0,2 и 0,4 кПа соответственно.

Печень, легкие, почки и слюнные железы были примерно на порядок жестче — около 2,2 кПа.

Более того, во время вирусной инфекции селезенка становилась примерно в шесть раз жестче по сравнению с неинфицированным состоянием.

Это позволяет предположить, что механические сигналы возникают не только после того, как активированная T-клетка покинула лимфатический орган и пришла в периферическую ткань.

Физическая среда самого иммунного органа тоже способна меняться во время инфекции.

Возможно, часть подготовки будущих тканевых клеток памяти начинается еще до их прибытия к месту постоянного проживания. Авторы рассматривают это как гипотезу, которую предстоит проверять дальше.

Что открытие меняет в понимании иммунитета

Главный результат работы шире конкретного поведения CD8+ T-клеток.

Иммунная система обычно описывается языком молекулярного распознавания: рецепторы, антигены, цитокины, сигнальные пути.

Новое исследование добавляет к этому языку механику.

Ткань может быть не пассивной сценой, на которой происходит иммунный ответ. Ее физические свойства способны участвовать в формировании поведения иммунной клетки.

Это особенно интересно для заболеваний, при которых тканевые T-клетки памяти становятся частью проблемы: аутоиммунных процессов, аллергии и отторжения трансплантата.

Есть потенциальное значение и для онкологии. Опухоли часто образуют плотное и механически сложное микроокружение. Понимание того, как T-клетки воспринимают такую среду и приспосабливаются к ней, в будущем может помочь лучше управлять присутствием и сохранением противоопухолевых иммунных клеток в ткани.

Но это пока направление исследований, а не готовый способ лечения.

Работа не показывает, что изменение жесткости ткани у человека способно лечить рак или аутоиммунное заболевание. Она также не идентифицирует молекулярный сенсор, который можно было бы уже сегодня превратить в лекарственную мишень.

Исследование делает более фундаментальную вещь: показывает существование самого механизма связи между физическими свойствами среды и программой иммунной памяти.