免疫系统是一个复杂的网络，由许多不同的细胞协同工作，共同抵御入侵者。能否成功抵御感染，取决于这些细胞之间的相互作用。
麻省理工学院工程师研发的一种新设备，能够更细致地呈现这种细胞间交流。该设备可捕获成对的细胞，并收集它们相互作用时各自的数据。研究人员借助这一设备，已经进一步了解了感染期间T细胞——免疫反应中的重要参与者——如何被激活。
该设备基于 乔尔·沃尔德曼于2009年开发的微流控技术；沃尔德曼是麻省理工学院电气工程与计算机科学（EECS）教授。他的团队曾使用早期版本，将成年细胞与胚胎干细胞融合，使研究人员得以观察这些杂交细胞中发生的基因重编程。
这项研究之后，免疫学家联系沃尔德曼，询问能否改造该设备来研究免疫细胞。“免疫系统中发生的很多事情，都是细胞通过彼此接触来相互交流，”沃尔德曼说。他是介绍这款新设备的论文资深作者之一。论文发表于1月13日的 《Nature Communications》。
沃尔德曼与论文第一作者、EECS研究生布拉克·杜拉花了数年时间重新设计该设备，使其适用于免疫细胞；免疫细胞比2009年分析的细胞小得多。麻省理工学院生物学教授、怀特海德生物医学研究所成员希德·普洛格也是该论文的资深作者。
精确控制接触
迄今为止，测量两种细胞相互作用最常见的方法，是将它们混合在试管中并进行观察。然而，这种方法用途有限，因为无法保证每个细胞只与另一个细胞相互作用。
“这种不可控性让你很难解读得到的结果，”沃尔德曼说。
相比之下，沃尔德曼的设备可以完全控制细胞配对。该设备由一块芯片构成，芯片上设有经过精心排布、用于捕获并配对细胞的细胞捕获杯。首先，让A型细胞沿一个方向流过芯片，并将其捕获在单细胞陷阱中。随后反转液体流向，将A型细胞带入位于单细胞陷阱对面的较大陷阱中。每个A型细胞进入大陷阱后，再让B型细胞流入，每个B型细胞便会在大陷阱中与一个A型细胞配对。
这项技术使研究人员能够随时间追踪数百对细胞，并监测每个细胞中发生的情况；以往无法做到这一点。它还可以让研究人员精确控制细胞相互作用的时间。
“我们知道确切的接触时间，而且只要它们还在杯中，就能让它们保持接触，”杜拉说。“这不仅让我们能够测量单个细胞的参数，还能同时测量两个细胞，并将它们的反应相互关联起来。”
在设备的新版本中，研究人员加入了高分辨率成像功能，因此可以观察细胞中的钙水平何时波动，以及细胞何时启动一种称为磷酸化的蛋白质信号传导过程。
“这是开展这类实验的一种非常巧妙的方法，”佐治亚理工学院化学与生物分子工程教授韩露说。她没有参与这项研究。“设备控制得非常好，你确切知道去哪里寻找细胞，因此对它们成像极为高效，通量也很高。”
启动免疫反应
在发表于 《Nature Communications》 的论文中，杜拉与怀特海德研究所前博士后斯蒂芬妮·道根合作，研究T细胞与B细胞之间的相互作用；这种相互作用是启动免疫反应的关键。当B细胞遇到病毒或细菌时，会将其吸收，并在细胞表面展示病毒或细菌蛋白的片段（称为抗原）。当这些B细胞遇到受体能够识别该抗原的T细胞时，T细胞便会被激活，进而释放细胞因子——控制免疫反应的炎症性化学物质——或寻找并摧毁受感染的细胞。
尽管这项研究中的所有T细胞都具有相同的T细胞受体，麻省理工学院团队发现，在遇到表面携带相同抗原的B细胞后，它们的反应并不完全相同。
研究人员利用钙成像测量T细胞的激活情况，发现初始激活水平取决于抗原呈递量。抗原水平较高时，大多数细胞的反应相同；但在抗原水平较低时，T细胞的反应差异很大。这些差异也与T细胞产生细胞因子的差异相关。
在未来的研究中，研究人员希望进一步追踪T细胞如何经历决策过程，以及这一过程如何决定它们最终的命运。他们还计划研究其他类型的相互作用，例如名为自然杀伤细胞的免疫细胞如何识别并摧毁癌细胞。
这项研究由新加坡—麻省理工学院联盟、美国癌症研究协会—胰腺癌行动网络、杨森制药公司以及弗兰克·奎克教员研究创新奖学金资助。
本文由 MIT News 合作发布。发表本文并不意味着世界经济论坛认同其中观点。
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作者：安妮·特拉夫顿是MIT News特约撰稿人。
图片：麻省理工学院研究人员设计了一种微流控设备，可精确捕获成对细胞（一个红色、一个绿色），并观察它们随时间的相互作用。 布拉克·杜拉。
