У каждого из нас есть около 600 лимфатических узлов (ЛУ) — маленьких бобовидных органов, которые содержат различные типы клеток крови и фильтруют лимфатическую жидкость. Многие также сталкивались с тем, что некоторые ЛУ опухают во время инфекций, вызванных вирусами или другими патогенами. Расширение и последующее сокращение ЛУ может также происходить в результате введения вакцин, и считается, что это отражает иммунный ответ на вакцину. Хотя исследователи изучали раннее расширение ЛУ после вакцинации, они не исследовали, может ли длительное расширение ЛУ повлиять на результаты вакцинации.

Впервые исследователи из Института биологической инженерии имени Уисса при Гарвардском университете, Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) и компании Genentech, входящей в группу Roche, нашли способ усилить и продлить расширение ЛУ и изучить, как это явление влияет на иммунную систему и эффективность вакцинации против опухолей. Ключевым моментом в их подходе стала формула вакцины из биоматериала, которая обеспечивала более значительное и продолжительное расширение ЛУ по сравнению со стандартными контрольными вакцинами. Хотя увеличенные ЛУ сохраняли нормальную тканевую организацию, они демонстрировали измененные механические характеристики и содержали большее количество различных типов иммунных клеток, которые обычно участвуют в иммунных реакциях против патогенов и рака. Важно отметить, что «резкое» увеличение лимфатических узлов перед введением традиционной вакцины против антигена, специфичного для меланомы, привело к более эффективному и устойчивому противоопухолевому ответу у мышей.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Biomedical Engineering.

Усиливая первоначальное и устойчивое расширение ЛУ с помощью биоматериалов, неинвазивно наблюдая за ними по отдельности в течение длительных периодов времени и глубоко изучая их тканевую архитектуру и популяции иммунных клеток, мы установили тесную связь между устойчивым расширением ЛУ и более сильным иммунным и вакцинальным ответом, — сказал член основного факультета Института Wyss Дэвид Муни, доктор философии, который возглавил исследование.

Это открывает новый фронт исследований для иммунологов и может иметь далеко идущие последствия для будущих разработок вакцин.

Муни также является семейным профессором биоинженерии Роберта П. Пинкаса в SEAS и одним из главных исследователей финансируемого NIH и координируемого Wyss центра Immuno-Engineering to Improve Immunotherapy (i3).

Команда Муни из Института Уисса и SEAS ранее уже разрабатывала различные биоматериалы в качестве матрицы для вакцин против рака и инфекций. Исследователи продемонстрировали потенциал вакцин из биоматериалов для успешной борьбы с ростом опухолей в ходе обширной работы, проведенной на доклинических моделях животных, и первого клинического испытания с участием пациентов с раком. Но они еще не изучали, как их вакцины и вакцины, разработанные другими учеными, могут влиять на реакцию ЛУ, дренирующих вытекшую тканевую жидкость в местах введения вакцины, и оказывать воздействие на тканевую организацию ЛУ, различные типы клеток и экспрессию их генов, что, в свою очередь, может повлиять на эффективность вакцины. В новом исследовании они протестировали ранее разработанный состав вакцины, основанный на микромасштабных стержнях из мезопористого кремнезема (MPS), которые можно вводить вблизи опухолей и формировать под кожей проницаемую для клеток 3D-структуру-скаффолд. Сконструированные таким образом, чтобы выделять цитокин, привлекающий иммунные клетки (GM-CSF), адъювант, активирующий иммунные клетки (CpG), и молекулы опухолевого антигена, MPS-вакцины способны перепрограммировать рекрутированные так называемые антиген-презентирующие клетки, которые, мигрируя в близлежащие ЛУ, организуют сложные иммунные ответы, уничтожающие опухолевые клетки. Новое исследование показало, что у этой концепции есть еще несколько граней.

Как оказалось, иммуноукрепляющие функции базовых MPS-вакцин активно изменяют состояние ЛУ, перманентно увеличивая всю структуру органа, а также изменяя механику тканей, популяции и функции иммунных клеток, — говорит первый автор работы Александр Наджиби, доктор философии, защитивший докторскую диссертацию вместе с Муни.

Исследование ЛУ с помощью ультразвука и наноустройств

Чтобы понять реакцию ЛУ на MPS-вакцины с течением времени, команда применила метод визуализации с помощью ультразвука, известный как высокочастотный ультразвук (HFUS). Подобно наблюдению за развитием крошечного плода в материнской утробе с помощью клинического ультразвука, HFUS в гораздо меньших масштабах позволяет неинвазивно и неразрушающе отслеживать анатомические детали тканей и органов у мелких животных, таких как мыши. Используя HFUS, команда проследила за отдельными ЛУ у мышей, вакцинированных против МПС, в течение 100 дней. Они выявили начальный период пикового расширения, продолжавшийся до 20-го дня, когда объем ЛУ увеличился примерно в 7 раз, что значительно больше, чем у животных, получавших традиционные вакцинные составы. Важно отметить, что ЛУ мышей, вакцинированных против МПС, хотя и уменьшились в объеме после этого пика расширения, оставались значительно более расширенными, чем ЛУ традиционно вакцинированных мышей, на протяжении всего 100-дневного периода.

Когда Наджиби и его команда исследовали механические реакции ЛУ с помощью устройства для наноиндентирования, они обнаружили, что ЛУ животных, вакцинированных против МПС, хотя и сохранили в целом нормальную структуру, стали менее жесткими и более вязкими в определенных местах. Это сопровождалось реорганизацией белка, который собирает и контролирует механически активный цитоскелет клеток. Интересно, что ранее группа Муни показала в исследовании биоматериалов, что изменение механических характеристик среды иммунных клеток, особенно их вязкоупругости, влияет на развитие и функции иммунных клеток.

Вполне возможно, что для того, чтобы приспособиться к значительному росту, вызываемому МПС-вакцинами, ЛУ должны стать более мягкими и вязкими, что в дальнейшем влияет на набор, пролиферацию и дифференцировку иммунных клеток в рамках обратного процесса, — говорит Наджиби.

От вовлечения иммунных клеток к вакцинальному ответу

Интересно, что после MPS-вакцинации количество «врожденных иммунных клеток», включая моноциты, нейтрофилы, макрофаги и другие типы клеток, которые создают первую волну иммунной защиты против патогенов и нежелательных клеток, достигало максимума сначала в расширяющихся ЛУ. С опозданием на пик вышли дендритные клетки (ДК), которые обычно передают информацию в виде антигенов от вторгающихся патогенов и раковых клеток „адаптивным иммунным клеткам“, запускающим последующие волны высокоспецифичных иммунных реакций против антигенпродуцирующих захватчиков. Фактически, наряду с ДК, также Т- и В-клетки адаптивной иммунной системы начали достигать своего наивысшего количества.

Было интересно наблюдать, как отчетливые изменения в популяциях иммунных клеток, которые мы обнаружили в расширяющихся ЛУ в ответ на MPS-вакцину, со временем повторяют типичный иммунный ответ на инфекционные патогены, — комментирует Наджиби.

Клетки врожденного иммунитета и ДК также известны как «миелоидные клетки», которые, как известно, взаимодействуют с тканями ЛУ на ранних стадиях развития. Для дальнейшего определения влияния миелоидных клеток на расширение ЛУ команда Муни сотрудничала с группой Шеннон Терли, доктора философии, вице-президента по иммунологии и регенеративной медицине в Genentech, эксперта в области биологии лимфатических узлов и иммунологии опухолей.

Вакцина MPS привела к необычайным структурным и клеточным изменениям в лимфатическом узле, которые поддержали мощный антиген-специфический иммунитет, — говорит Терли.

Выделив миелоидные клетки из ЛУ и проанализировав профили экспрессии генов отдельных клеток (single cell RNA-seq), группы смогли реконструировать различные изменения в популяциях миелоидных клеток во время расширения ЛУ и выявить отдельные популяции ДК в долговременно расширенных ЛУ, изменение экспрессии генов которых было связано с расширением ЛУ. Кроме того, сотрудники обнаружили, что количество моноцитов увеличивается в 80 раз после вакцинации MPS — самый высокий прирост среди всех типов миелоидных клеток — и определили субпопуляции «воспалительных и антигенпрезентирующих моноцитов» как перспективных кандидатов для содействия расширению ЛУ. В самом деле, когда они истощали определенные субпопуляции этих типов моноцитов из циркулирующей крови мышей после вакцинации, поддержание расширения ЛУ и сроки Т-клеточного ответа на вакцинацию изменялись.

Наконец, команда исследовала, может ли расширение ЛУ повысить эффективность вакцинации. «Запуск» иммунной системы в ЛУ с помощью MPS-вакцины без антигена и последующее введение антигена в традиционном формате вакцины значительно улучшили противоопухолевый иммунитет и продлили выживаемость мышей, переносящих меланому, по сравнению с традиционной вакциной.

Подготовка лимфатических узлов к последующим вакцинациям с использованием различных составов может стать «висячим плодом» для будущих разработок вакцин, — говорит Муни.

«Эта новая способность физически расширять лимфатические узлы и усиливать их различную иммунную активность в течение длительных курсов лечения с помощью продуманных и легко вводимых биоматериалов может дать огромный толчок иммунотерапии пациентов. Это также еще один прекрасный пример того, как механика играет ключевую роль в регулировании живых систем, даже иммунных реакций, где мало кто считает физические сигналы важными», — заключает директор-основатель Wyss Дональд Ингбер, доктор медицины, доктор философии, который также является профессором сосудистой биологии Джуда Фолкмана в Гарвардской медицинской школе и Бостонской детской больнице и профессором биоинженерного дела Хансйорга Висса в SEAS.