免疫系は、侵入者から身を守るために協力し合う多種多様な細胞からなる複雑なネットワークです。感染を効果的に撃退できるかどうかは、これらの細胞間の相互作用に左右されます。
MITのエンジニアが開発した新しい装置により、細胞間のコミュニケーションをはるかに詳しく捉えられるようになりました。細胞のペアを捉え、互いに相互作用する際の各細胞のデータを収集するこの装置を使い、研究者らはすでに、免疫応答の主要な担い手であるT細胞が感染時にどのように活性化するのかについて、新たな知見を得ています。
この装置は、 ジョエル・ヴォルドマンが開発したマイクロ流体技術を基盤としており、同氏は2009年当時、MIT電気工学・コンピューターサイエンス学科（EECS）の教授でした。同氏のチームは以前の装置を使って、成体細胞と胚性幹細胞を融合させ、こうしてできたハイブリッド細胞で起きる遺伝子の再プログラミングを観察しました。
その研究の後、免疫学者らはヴォルドマンに連絡し、免疫細胞の研究に装置を応用できないかと尋ねました。「免疫系で起きていることの多くは、細胞が接触してほかの細胞とやり取りすることです」と、1月13日付の Nature Communications誌に掲載された新装置の論文の上席著者の一人であるヴォルドマンは述べています。
ヴォルドマンと、論文の筆頭著者でEECSの大学院生であるブラク・デュラは、2009年に解析した細胞よりはるかに小さい免疫細胞に対応できるよう、装置を再設計する作業に数年を費やしました。MIT生物学教授で、ホワイトヘッド生物医学研究所のメンバーでもあるヒッデ・プローグも、論文の上席著者です。
接触を制御する
これまで、2種類の細胞間の相互作用を測定する最も一般的な方法は、試験管内で細胞を混ぜ合わせて観察することでした。しかし、この方法では各細胞がほかの1個の細胞だけと相互作用している保証がないため、用途が限られます。
「こうした制御不能な状態では、得られた結果を解釈するのが難しくなります」とヴォルドマンは述べます。
これに対し、ヴォルドマンの装置では、細胞の組み合わせを完全に制御できます。装置は、細胞を捕捉するカップが細胞を捉えてペアにするよう戦略的に配置されたチップで構成されています。まず、A型細胞をチップ上に一方向に流し、単一細胞用のトラップに捕捉します。次に液体の流れを逆向きにし、A型細胞を単一細胞用トラップの向かい側にある大きなトラップへ移動させます。各A型細胞が大きなトラップに入ると、B型細胞を流し込み、それぞれを大きなトラップ内のA型細胞と結合させます。
この手法により、研究者らは数百組の細胞ペアを経時的に追跡し、それぞれの細胞で起きていることを観察できます。こうしたことは、これまで可能ではありませんでした。また、細胞間の相互作用が始まるタイミングも正確に制御できます。
「正確な接触時間がわかり、カップの中にある限り、接触状態を維持できます」とデュラは述べます。「これにより、単一細胞のパラメーターを測定できるだけでなく、2つの細胞を一緒に測定し、互いの応答を関連付けることもできます。」
新型の装置では、研究者らは高解像度イメージング機能を追加しました。これにより、細胞内のカルシウム濃度が変動する時や、リン酸化と呼ばれるタンパク質シグナル伝達の一種が始まる時を観察できます。
「これは、こうした実験を行う非常に洗練された方法です」と、研究には関与していないジョージア工科大学の化学・生体分子工学教授ハン・ルーは述べます。「制御性が非常に高く、細胞がどこにあるか正確にわかるので、細胞の撮像をきわめて効率的かつハイスループットに行えます。」
免疫応答の開始
デュラは Nature Communications 誌の論文で、ホワイトヘッド研究所の元博士研究員ステファニー・ドゥーガンとともに、免疫応答の開始に不可欠なT細胞とB細胞の相互作用を研究しました。B細胞はウイルスや細菌に遭遇すると、それらを取り込み、ウイルスまたは細菌のタンパク質の一部（抗原と呼ばれる）を細胞表面に提示します。抗原を認識する受容体を持つT細胞とこうしたB細胞が遭遇すると、T細胞は活性化します。その結果、免疫応答を制御する炎症性物質であるサイトカインを放出するか、感染細胞を探し出して破壊するようになります。
この研究で用いたT細胞はすべて同一のT細胞受容体を持っていましたが、MITのチームは、表面に同一の抗原を持つB細胞と遭遇した後、すべてのT細胞が同じように応答するわけではないことを見いだしました。
研究者らはカルシウムイメージングでT細胞の活性化を測定し、初期の活性化レベルは提示される抗原の量に依存することを確認しました。抗原量が多い場合、ほとんどの細胞は同様に応答します。しかし、抗原量が少ない場合、T細胞の応答には大きなばらつきが見られます。こうした違いは、T細胞によるサイトカイン産生の違いとも相関していました。
今後の研究で、研究者らはT細胞が最終的な運命を決める意思決定の過程をさらに詳しく追跡したいと考えています。また、ほかの種類の相互作用も調べる予定です。例えば、ナチュラルキラー細胞と呼ばれる免疫細胞が、どのようにがん細胞を認識して破壊するかを研究します。
この研究は、シンガポール-MITアライアンス、AACR-Pancreatic Cancer Action Network、ヤンセン・ファーマシューティカルズ、フランク・クイック教員研究イノベーション・フェローシップの助成を受けました。
本記事は、 MIT News との協力により掲載されています。記事の掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持していることを意味するものではありません。
フォーラム：アジェンダの最新情報を受け取るには、 週刊ニュースレターに登録してください。
著者：アン・トラフトンはMIT Newsのゲスト寄稿者です。
画像：MITの研究者らは、細胞のペア（赤と緑）を正確に捕捉し、時間の経過に伴う相互作用を観察できるマイクロ流体装置を設計しました。 ブラク・デュラ。
