过继性T细胞疗法是一种免疫疗法，从患者身上收集免疫T细胞，在体外增强，然后再输注到同一患者体内，特别是针对血癌，这种疗法正在取得成功。但是，提高创造具有特定特征和功能的患者特异性T细胞群的能力，可以扩大临床医生的T细胞疗法的范围。

实现这一目标的一种方法是更好地理解T细胞的特性和功能，包括它们对不需要的靶细胞(效应T细胞)的细胞毒性作用，或者它们在再次出现时召回和消除它们的能力(记忆T细胞)，是如何被它们浸润时遇到的组织的机械阻力所塑造的。组织的机械特性，例如骨骼、肌肉、不同的内部器官和血液，可以有很大的不同，病理组织如肿瘤团块或纤维化组织在机械上与健康组织有很大的不同。

现在，哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和哈佛大学John A . Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的一个研究小组，由Wyss Core教员David Mooney博士领导，采用了一种新的生物材料方法来研究组织力学对T细胞状态的影响。

通过设计细胞外基质(ECM)的三维模型，他们能够独立调整这两个参数。ECM是由负责组织不同刚度和粘弹性的细胞产生的。这使他们能够在体外和体内证明组织粘弹性对T细胞发育和功能的独特影响，并确定驱动这种现象的分子途径。研究结果发表在《Nature Biomedical Engineering》杂志上。

机械阻力以“刚度”的形式出现，即组织(或任何材料)对瞬时变形的抵抗力，以及“粘弹性”，即变形后随着时间的推移所表现出的松弛类型。用物理术语解释，粘性(流体)材料，如蜂蜜，更容易流动，而弹性(固体)材料更快地恢复到原来的形状，就像橡皮筋拉伸后一样，这适用于由固体和流体成分组成的组织。“重要的是，在系统变化中训练的T细胞的表型，功能和基因表达程序与我们在癌症或纤维化患者的机械不同组织中的T细胞中发现的T细胞具有良好的相关性，”Mooney说，他也是SEAS的Robert P. Pinkas家族生物工程教授，并领导Wyss研究所的免疫材料计划。“我们的研究为未来的策略提供了概念基础，旨在通过选择性地调整基于生物材料的工程细胞培养系统提供的机械输入，为过继疗法创造功能独特的T细胞群。”

在培养皿中模拟组织力学

他们发现的关键是团队设计了一个可调的ECM模型，在这个模型中，他们专注于一种胶原蛋白，他们发现这种胶原蛋白是决定不同组织机械行为的关键。胶原蛋白是一种主要的ECM蛋白，几乎由体内所有细胞分泌。单个胶原蛋白分子自然组织成卷曲的原纤维，通过化学交联进一步聚集成纤维。每根纤维都可以看作是一个机械弹簧，每根纤维都是一组弹簧。ECM的硬度取决于胶原蛋白分子的密度，而其独特的粘弹性取决于胶原蛋白分子相互交联的密度。

为了模拟天然的基于胶原蛋白的ECM，研究小组制造了水凝胶，其硬度可以通过改变胶原蛋白分子的浓度来调节:胶原蛋白分子的数量越少，硬度越低，而胶原蛋白分子的数量越多，硬度越高。独立地，通过改变合成交联剂分子的数量，粘弹性变得可调，这种交联剂分子进一步使胶原蛋白分子联网。交联程度越高的胶原蛋白分子产生的水凝胶越有弹性。由此产生的模拟ECM的水凝胶同样允许预先激活的T细胞附着，但重要的是，可以用特定的机械信号刺激它们。

“据我们所知，这是第一个ECM模型，允许研究人员研究从粘弹性解耦的刚度T细胞，从而使我们和其他人在未来研究免疫细胞和其他细胞如何被机械调节，”共同第一作者LIU Yutong博士说。“该系统的定义和均匀的机械刺激与通常培养T细胞的方式大不相同——附着在培养皿底部的细胞遇到高度无弹性的表面，而悬浮在培养皿中的细胞则被粘性介质包围。”

机械作用的自然结果

研究小组对暴露在不同粘弹性条件下的T细胞进行了广泛的分析。共同第一作者Kwasi Adu-Berchie博士说:“经历了更有弹性的胶原基质的T细胞更有可能发展成'效应样T细胞'，而经历了更粘稠的ECM基质的T细胞更有可能成为'记忆样T细胞'。”Kwasi Adu-Berchie博士在Mooney的实验室完成了博士学位，目前是Wyss研究所的翻译免疫治疗科学家。“重要的是，我们发现，由于基质的粘弹性，甚至更有弹性，粘性更低的水凝胶，T细胞的状态成为长期印记，因为细胞在转移到不同的基质后保留了对特定基质的记忆。这可能对未来的电池制造产生广泛的影响。”

基因表达分析使研究小组发现了一种被称为AP-1的转录因子的活性，这种转录因子将T细胞对更有弹性、更少粘性的机械环境的接受与更像效应物的基因表达程序联系起来。具有特定组成的AP-1复合物的数量增加，依赖于它们表达的基因丰富，不仅在从更有弹性的水凝胶中分离的T细胞中，而且在从患者的癌症和纤维化组织中分离的T细胞中，这些组织比邻近的健康组织更硬，更有弹性。当他们用药物抑制AP-1的一种成分时，更有弹性的胶原基质对T细胞的作用被阻止了。

为了研究不同的机械刺激和T细胞预测的基因表达特征是如何转化为实际的特征和功能的，研究小组使用了治疗性CAR-T细胞来结合人类淋巴瘤细胞系的特定抗原。在体外更有弹性的胶原基质中刺激的CAR-T细胞显示出更强的杀死淋巴瘤细胞的能力。同样在体内，CAR-T细胞在更有弹性的基质中刺激，并过继地转移到具有相同类型淋巴瘤的小鼠中，与暴露在更少弹性基质中的CAR-T细胞相比，它们明显更有能力减轻动物的肿瘤负担并延长寿命。

“这项研究融合了三个看似不同的领域，生物材料、免疫疗法和机械生物学，以开发一种全新的基于生物材料的机械疗法。很容易看出，这些发现可能会为未来改善过继T细胞治疗开辟新的途径，”Wyss创始董事Donald Ingber博士说。

哈佛大学提供