Eine neue Plattform zur Untersuchung der Reaktion des Immunsystems auf Hepatitis C.

Der Hepatitis-C-Impfstoff ist Wissenschaftlern aus mehreren Gründen seit mehr als 30 Jahren entgangen. Erstens kommt das Virus, das die Krankheit verursacht, in vielen genetischen Formen vor, was die Entwicklung eines breit wirksamen Impfstoffs erschwert. Andererseits war die Untersuchung von Hepatitis C schwierig, da die Möglichkeiten bei Tieren begrenzt sind und die von infizierten Zellen verwendeten Labormethoden die tatsächliche Infektionsdynamik nicht angemessen widerspiegelten.

Jetzt haben Forscher des Gladstone Institute eine neue Plattform entwickelt, um zu untersuchen, wie das menschliche Immunsystem auf eine Hepatitis-C-Infektion reagiert.Die Methode wurde in einer wissenschaftlichen Zeitschrift vorgestellt offene Biologie, kombiniert mikrofluidische Technologie (die es Wissenschaftlern ermöglicht, Flüssigkeiten im mikroskopischen Maßstab genau zu manipulieren) mit Leberorganoiden (dreidimensionale Zellcluster, die die Biologie einer echten menschlichen Leber nachahmen).

Die 3D-Struktur und zelluläre Zusammensetzung der Leberorganoide ermöglicht es uns, den Eintritt und die Replikation des Virus auf sehr relevante physiologische Weise zu untersuchen.

Todd McDevitt, PhD, leitender Forscher bei Gladstone, leitender Studienautor

„Unser Ansatz ermöglicht eine kontrolliertere und genauere Untersuchung der Immunantwort auf eine Hepatitis-C-Infektion“, sagte Melanie Ott, MD, PhD, Direktorin des Gladstone Institute of Virology und eine weitere leitende Autorin der Studie. „Wir hoffen, dass unsere Methode den Nachweis dringend benötigter Impfstoffe beschleunigen wird.“

Wiederherstellung der Interaktion zwischen Leber- und Immunzellen

Das Hepatitis-C-Virus zielt auf die Leber. Nach der Erstinfektion erholen sich manche Menschen mit geringen oder keinen Symptomen, andere leiden jedoch unter einer lebenslangen Infektion, die zu einer schweren Lebererkrankung führen kann. Medikamente können Hepatitis C erfolgreich behandeln, aber sie können schwer zugänglich oder erschwinglich sein, und die behandelte Person kann sich später erneut infizieren.

„Ein erfolgreicher Impfstoff würde das Immunsystem trainieren und eine erneute Infektion mit einer der häufigsten Formen des Virus verhindern“, sagte Dr. Camille Simoneau, Mitautorin der Studie und Postdoktorandin in Ottos Labor. „Dies hätte große Vorteile für die öffentliche Gesundheit auf der ganzen Welt.“

Um einen solchen Impfstoff zu entwickeln, benötigen Wissenschaftler detaillierte Erkenntnisse darüber, wie die Leber mit dem Hepatitis-C-Virus und dem Immunsystem interagiert; insbesondere T-Zellen des Immunsystems. Es hat sich jedoch als ziemlich schwierig erwiesen, einzelne Leberzellen davon zu überzeugen, mit dem Virus auf eine Weise zu interagieren, die realistisch widerspiegelt, was im Körper einer infizierten Person passieren könnte.

In den letzten Jahren sind, zum großen Teil dank der Fortschritte von McDevitt und anderen Gladstone-Forschern, 3D-Leberorganoide entstanden, die neue, biologisch realistischere Möglichkeiten zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Leberzellen, dem Hepatitis-C-Virus und T-Zellen bieten. Es bleiben jedoch Herausforderungen.

„Bisher haben wir diese Wechselwirkungen in relativ großen Flüssigkeitströpfchen beobachtet“, sagte Vaishaali Natarayan, Ph.D., Co-Autor der Studie und ehemaliger Gladstone-Postdoktorand in McDevitts Labor. „Aber es ist schwierig, einzelne Organoide innerhalb von Tropfen zu verfolgen, was begrenzt, was wir von ihnen lernen können.“

Daher entschieden sich die Forscher, das gesamte System auf einen mikrofluidischen Chip zu verlagern, ein Gerät mit einem Netzwerk aus Miniaturkanälen, das eine präzise Kontrolle über die Positionierung von Organellen ermöglicht und es den Forschern ermöglicht, ihre Wechselwirkung mit der Umgebung besser zu beobachten.

Bei dem neuen System werden aus adulten Stammzellen gezüchtete Leberorganoide an festen Positionen in die Kanäle des Chips implantiert. In der Zwischenzeit können sich in Flüssigkeit suspendierte T-Zellen frei durch die Gänge bewegen und mit Organoiden interagieren – ähnlich wie die Bewegung von blutführenden T-Zellen in echtem Lebergewebe. Da die Organellen an Ort und Stelle fixiert sind, können Forscher sie zusammen mit T-Zellen mit Standardmikroskopietechniken im Laufe der Zeit verfolgen.

„Zum ersten Mal können wir diese Zellinteraktionen in einer Laborumgebung auf eine Weise genau beobachten, die für die an einer Hepatitis-C-Infektion beteiligten Gewebe biologisch zutreffender ist“, sagt Ott.

Eine Entdeckungsbühne einrichten

Um das Potenzial ihres neuen Systems zu demonstrieren, wollten die Forscher zunächst bestätigen, dass es die Erkennung infizierter Leberzellen durch T-Zellen nachahmen kann.

Daher züchteten sie Leber-Organoide und setzten sie einem spezifischen Molekül aus, das im Hepatitis-C-Virus vorkommt.Nach der Exposition präsentierten organoide Zellen dieses Molekül auf ihren Oberflächen sowie nach einer Infektion. Anschließend bauten die Forscher Organoide in den mikrofluidischen Chip ein und brachten T-Zellen in ihre Umgebung ein.

Diese T-Zellen, die von Ann Erickson im Labor des leitenden Autors Stewart Cooper am California Pacific Medical Research Center entwickelt wurden, wurden darauf trainiert, Moleküle auf der Oberfläche von Organellen zu erkennen.

Natürlich entdeckten T-Zellen organoide Zellen, die das virale Molekül darstellten, und wanderten durch mikrofluidische Kanäle, um sie zu töten – genauso wie sie infizierte Zellen im Körper anvisieren und töten konnten, um Hepatitis C zu bekämpfen.

Da Forscher die mikrofluidische Umgebung durch Hinzufügen oder Entfernen von Substanzen präzise verändern können, könnte die Plattform auch verwendet werden, um viele zusätzliche Aspekte der Hepatitis-C-Infektion bis ins kleinste Detail zu untersuchen.

„Unsere Studie legt nahe, dass unser Ansatz zur Identifizierung und Untersuchung anderer viraler Moleküle verwendet werden könnte, die eine starke Immunantwort hervorrufen und die das Potenzial haben, die Grundlage für neue Impfstoffe zu bilden“, sagt McDevitt. „Ich bin gespannt, wohin diese Kombination aus Organoiden und Mikrofluidik als nächstes führen wird.“

Quelle:

Zeitschriftenreferenz:

Natarajan, V., et al. (2022)Modellierung der T-Zell-Immunität gegen das Hepatitis-C-Virus mit Leberorganoiden im mikrofluidischen Kokultursystem. Offene Biologie. doi.org/10.1098/rsob.210320.

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