单细胞拓扑分析揭示细胞毒性T细胞的生物力学特征

引言

近年来，对免疫系统功能在不同机械化学环境中的执行方式的研究表明，免疫细胞通过动态改变形状和对周围环境施力，来感知物理参数并激活免疫反应。这些物理参数对细胞的基因表达、新陈代谢以及中尺度细胞行为有重要影响。尤其是细胞毒性T细胞（CTLs），它们在杀伤感染或转化靶细胞时，释放穿孔素（perforin）和颗粒酶（granzymes），这种分泌行为与力学作用密切相关。然而，CTL衍生的力如何精确定位穿孔素和颗粒酶的释放，以及这些力对目标细胞膜的影响仍然是未解决的问题。有鉴于此，本文作者使用超分辨率牵引力显微镜（traction force microscopy, TFM）比较CTL与其他T细胞亚群及巨噬细胞形成的免疫突触，以揭示特殊的力输出模式，旨在理解CTL在潜在力学环境中的功能。

论文来源

本文由Miguel de Jesus等人完成，作者分别来自Memorial Sloan Kettering Cancer Center, Wageningen University & Research, University of Washington等研究机构。论文发表在2024年6月28日的《Science Immunology》，题为“Single-cell topographical profiling of the immune synapse reveals a biomechanical signature of cytotoxicity”。

研究流程

实验方法

研究使用了一种三维牵引力显微镜系统（3D TFM），通过诱导T细胞与可变形的聚丙烯酰胺丙烯酸粒子（DAAM粒子，直径13μm, 刚度300Pa）形成突触来分析互作的力学特性。DAAM粒子被功能化以诱导T细胞免疫突触的形成，并使用高速结构化照明显微镜（SIM）成像。通过三角测量法重建每个粒子的表面变形，以可见CTL突触所导致的物理变形。

数据分析与算法

在分析过程中，作者使用了一系列自定义MATLAB脚本以实现粒子的三维形状重建，并使用Zernike多项式进行拓扑分析，从而将每个免疫突触代表为一系列空间频率光谱。通过这种方式，可以根据相似性排列拓扑结构，从而揭示细胞毒T细胞与其他免疫细胞相比的特殊力学特征。

研究结果

结果解析

研究发现，CTL不仅在DAAM粒子上扩展，还会向其压入，在接触区形成直径约10μm的突触“火山口”。这种“火山口”包括外围的正曲率边缘（边沿区）和内侧的凹陷区域（火山地板），并具有局部的凸起和凹陷特征。通过对DAAM粒子形态偏离理想球体的量化分析，确认CTL在接触后的5分钟内就能诱导显著的粒子压缩，并能持续保持30分钟以上。同时，利用f-肌动蛋白（F-actin）分布情况分析，发现这些拓扑特征是由局部的细胞骨架重构引起的，且肌动蛋白聚合抑制剂Latrunculin A几乎完全消除了目标压缩。

为了评估这些结构与细胞毒性释放的关系，研究通过标记灯笼蛋白1（Lamp1）以实时观察颗粒动态，发现颗粒主要在火山口地板处发生融合和消失，这表明穿孔素和颗粒酶的释放主要集中于此区域。利用一种基于连续体弹性理论的计算模型模拟F-actin驱动的突触力结果表明，突触内的地形 起伏可以最大化细胞毒性的效率。

另外，对于F-actin的突起，发现群簇的丛式结构比散布的小突起更能有效地对目标表面进行变形，并提供更多的膜区域用于毒性颗粒的融合和释放。这种组合策略可能解释了CTLs在演化过程中形成的特定机械输出模式。

结论与意义

此次研究揭示了CTL形成的免疫突触的特有生物力学特征，这一发现为理解CTL的杀伤机制提供了新的视角。具体而言，CTL的杀伤效率不仅依赖于化学分泌物，还与其在目标细胞上施加的复杂力学作用密切相关。进一步的实验表明，这种力学输入模式是通过适应目标物理特性来优化的。这些结果表明，免疫细胞之间的力学互作形式反映了其特定的功能，并且界面力学模式可以用于区分不同的免疫细胞亚群。

亮点与创新

研究亮点在于： 1. 力学与功能的紧密联系：揭示了细胞毒性与特定力学输出模式（压缩力和局部突出）的强关联。 2. 高分辨率成像技术：首次利用超分辨率3D TFM技术，清晰地呈现了CTL与目标粒子间的力学互作。 3. 计算模型与实验验证相结合：通过计算模型与实验数据相结合，阐释了突触力学输出与细胞毒性效率之间的关系，并确定F-actin的融会模式在突触力学性质中的关键作用。 4. 拓扑复杂性分析引入：引入Zernike多项式及其旋转不变性，来量化免疫突触的拓扑复杂性，并进行细胞间的差异比较。

这项研究不仅在生物力学和细胞毒性领域中提供了重要的基础知识，还有助于开发针对免疫细胞功能的干预策略，对免疫疗法和病理学研究具有重要的应用价值。