単一細胞のトポロジカル解析が細胞毒性T細胞の生体力学的特徴を明らかにする

序論

近年、異なる機械化学的環境における免疫システム機能の実行方法についての研究は、免疫細胞が形状を動的に変化させ、周囲環境に力を作用させることで物理的パラメーターを感知し、免疫反応を活性化することを示しています。これらの物理的パラメーターは、細胞の遺伝子発現、代謝、および中間スケールの細胞行動に重要な影響を与えます。特に、細胞毒性T細胞（CTL）は、感染または変換された標的細胞を殺傷する際、パーフォリン（perforin）やグランザイム（granzymes）を放出し、これらの分泌行動は力学的な作用と密接に関連しています。しかし、CTL由来の力がどのようにしてパーフォリンおよびグランザイムの放出を正確に位置付け、これらの力が標的細胞膜にどのような影響を与えるかは未解決の問題です。これを受けて、本研究の著者は超解像度牽引力顕微鏡（traction force microscopy, TFM）を使用して、CTLと他のT細胞亜群およびマクロファージによって形成される免疫シナプスを比較し、特別な力出力パターンを明らかにすることを目的としました。

論文の出典

本研究はMiguel de Jesusらによるもので、著者はMemorial Sloan Kettering Cancer Center, Wageningen University & Research, University of Washington などの研究機関に所属しています。この論文は2024年6月28日発行の『Science Immunology』に掲載されており、タイトルは「Single-cell topographical profiling of the immune synapse reveals a biomechanical signature of cytotoxicity」です。

研究フロー

実験方法

研究では三次元牽引力顕微鏡システム（3D TFM）を使用して、T細胞を可変形性のポリアクリルアミド粒子（DAAM粒子、直径13μm、剛性300Pa）とシナプスを形成させ、その力学特性を解析しました。DAAM粒子はT細胞の免疫シナプス形成を誘導するように機能化され、高速構造化照明顕微鏡（SIM）を用いてイメージングされました。各粒子の表面変形は三角測量法により再構築され、CTLシナプスによる物理的変形が可視化されました。

データ分析とアルゴリズム

分析過程で、著者らは一連のカスタムMATLABスクリプトを使用して粒子の三次元形状再構築を実現し、Zernike多項式を用いてトポロジカル分析を行いました。これにより、各免疫シナプスを一連の空間周波数スペクトルとして表現することができ、T細胞の特定の力学的特徴を明らかにすることができました。

研究結果

結果の解析

研究は、CTLが単にDAAM粒子上に広がるだけでなく、圧力をかけて直径約10μmのシナプス「クレーター」を形成することを発見しました。この「クレーター」は、周縁の正の曲率縁（周辺部）と内側の凹み領域（クレーターの底）を含み、局所的な凸起と凹みの特徴を持っています。DAAM粒子の形態が理想的な球体からどの程度逸脱しているかを定量化することで、CTLが接触後5分以内に顕著な粒子圧縮を誘導し、その効果を30分以上持続することが確認されました。同時に、f-アクチン（F-actin）の分布を分析することで、これらのトポロジー特徴が局所的な細胞骨格の再構築によって引き起こされることが判明し、アクチン重合を抑制するLatrunculin Aがほぼ完全に圧縮を消失させることが分かりました。

これらの構造と細胞毒性放出の関係を評価するために、研究ではランプ1（Lamp1）を標識して顆粒の動態をリアルタイムで観察しました。その結果、顆粒は主にクレーターの底で融合し消失することが分かり、パーフォリンおよびグランザイムの放出がこの領域に集中していることが示されました。連続体弾性理論に基づく計算モデルを用いてF-actin駆動のシナプス力をシミュレートした結果、シナプス内の地形の高低差が細胞毒性の効率を最大化する可能性があることが示されました。

さらに、F-actinの突出については、群を成すクラスター構造が、散在する小突起よりも効果的に標的表面を変形させ、より多くの膜領域を提供して毒性顆粒の融合および放出に利用できることが判明しました。この組み合わせ戦略は、CTLが進化の過程で形成した特定の力学的出力パターンを説明する可能性があります。

結論と意義

この研究は、CTLが形成する免疫シナプスの特異な生物力学的特徴を明らかにし、CTLの殺傷メカニズムを理解するための新しい視点を提供します。特に、CTLの殺傷効率は化学的分泌物だけでなく、標的細胞に対する複雑な力学的作用にも依存していることが示されました。さらなる実験から、この力学的入力パターンが標的の物理特性に適応して最適化されていることが分かりました。これらの結果は、免疫細胞間の力学的相互作用がその特定の機能を反映しており、インターフェース力学パターンが異なる免疫細胞亜群を識別するために使用できることを示しています。

ハイライトとイノベーション

研究のハイライトは以下の点にあります： 1. 力学と機能の緊密な関係：細胞毒性と特定の力学的出力パターン（圧力と局所的な突出）の強い関連性を明らかにしました。 2. 高解像度イメージング技術：初めて超解像度3D TFM技術を利用して、CTLと標的粒子間の力学的相互作用を明瞭に示しました。 3. 計算モデルと実験の結合：計算モデルと実験データを組み合わせることで、シナプス力学的出力と細胞毒性効率の関係を解明し、F-actin会合パターンがシナプス力学特性において重要な役割を果たすことを立証しました。 4. トポロジー複雑性解析の導入：Zernike多項式とその回転不変性を導入することで免疫シナプスのトポロジー複雑性を定量化し、細胞間の違いを比較しました。

この研究は、生物力学と細胞毒性の分野における重要な基礎知識を提供するだけでなく、免疫細胞機能に対する介入戦略の開発にも貢献し、免疫療法および病理学研究に重要な応用価値を持ちます。