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As células T experimentam diferentes sinais mecânicos em diferentes tecidos. Pesquisadores do Instituto Wyss de Harvard e do Harvard SEAS, liderados por David Mooney, criaram um modelo de hidrogel que imita tecido para mostrar que tecidos mais elásticos induzem células T a se tornarem células T semelhantes a efetoras com forte potencial de matar tumores, enquanto tecidos mais viscosos as induzem a se tornarem células T semelhantes à memória. Este novo conceito pode ajudar no avanço das terapias adaptativas de células T, produzindo populações de células T específicas do paciente desejadas no prato que podem fornecer efeitos mais fortes quando infundidas de volta no mesmo paciente. Os resultados são relatados na Nature Biomedical Engineering.
A campanha bem-sucedida de terapias adotivas com células T, um tipo de imunoterapia em que as células T imunes são coletadas de um paciente, aprimoradas fora do corpo e reinfundidas no mesmo paciente, especialmente contra cânceres no sangue, está bem encaminhada. Mas melhorar a capacidade de criar populações de células T específicas do paciente com características e funções específicas pode ampliar o repertório de terapias de células T dos médicos.
Uma maneira de abordar esse objetivo é entender melhor como as características e funções das células T, incluindo seus efeitos citotóxicos em células-alvo indesejadas (células T efetoras) ou sua capacidade de recuperá-las e eliminá-las se elas aparecerem novamente (células T de memória). são moldados pela resistência mecânica dos tecidos que encontram ao se infiltrar neles. As características mecânicas dos tecidos, por exemplo, osso, músculo, diferentes órgãos internos e sangue, podem variar amplamente, e tecidos patológicos, como massas tumorais ou tecidos fibróticos, são mecanicamente significativamente diferentes dos tecidos saudáveis.
Agora, uma equipe de pesquisa do Wyss Institute for Biologicamente Inspired Engineering da Harvard University e da Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), liderada por David Mooney, Ph.D., membro do corpo docente do Wyss Core, adotou um novo biomateriais abordagem para investigar o efeito da mecânica dos tecidos no estado das células T. Ao projetar um modelo tridimensional da matriz extracelular (ECM), produzida por células responsáveis pelas diferentes rigidezes e viscoelasticidades dos tecidos, eles conseguiram ajustar os dois parâmetros de forma independente. Isso permitiu que eles demonstrassem um impacto distinto da viscoelasticidade do tecido no desenvolvimento e na função das células T em vitro e na Vivo, e identificar uma via molecular que conduz o fenômeno. As descobertas são relatadas em Natureza Engenharia Biomédica.
A resistência mecânica vem na forma de “rigidez”, a resistência de um tecido (ou de qualquer material) à deformação instantânea e “viscoelasticidade”, o tipo de relaxamento que exibe ao longo do tempo após sua deformação. Explicado em termos físicos, um material viscoso (fluido), como o mel, tem maior probabilidade de fluir, enquanto um material elástico (sólido) retorna mais rapidamente à sua forma original, como um elástico após o alongamento – e isso vale para os tecidos que são compostos de componentes sólidos e fluidos.
“É importante ressaltar que os fenótipos, funções e programas de expressão gênica de células T treinadas em variações do sistema correlacionam-se bem com aqueles que encontramos em células T em tecidos mecanicamente distintos de pacientes com câncer ou fibrose”, disse Mooney, que também é o Robert P. Pinkas Família Professor de Bioengenharia na SEAS e lidera a Iniciativa de Imunomaterials do Wyss Institute. “Nosso estudo fornece uma base conceitual para estratégias futuras com o objetivo de criar populações de células T funcionalmente distintas para terapias adotivas, ajustando seletivamente a entrada mecânica fornecida por sistemas de cultura de células projetadas com base em biomateriais”.
Imitando a mecânica dos tecidos em um prato
A chave para suas descobertas foi a engenharia da equipe de um modelo ECM ajustável, no qual eles se concentraram em um tipo de colágeno que descobriram ser a chave para ditar o comportamento mecânico de diferentes tecidos. O colágeno é a principal proteína da MEC secretada por quase todas as células do corpo. Moléculas individuais de proteína de colágeno são naturalmente organizadas em fibrilas onduladas que se agregam ainda mais em fibras por meio de ligações cruzadas químicas. Cada fibrila pode ser considerada uma mola mecânica e cada fibra como um conjunto de molas. A rigidez de uma ECM depende de quão densamente ela é embalada com moléculas de colágeno, enquanto sua viscoelasticidade distinta depende de quão densamente as moléculas de colágeno são reticuladas umas com as outras.
Para imitar a ECM natural à base de colágeno, a equipe fabricou hidrogéis cuja rigidez eles poderiam ajustar variando a concentração de moléculas de colágeno: menos moléculas de colágeno produziram menor rigidez e números maiores, maior rigidez. Independentemente, a viscoelasticidade tornou-se ajustável variando as quantidades de uma molécula reticulante sintética que conectou ainda mais as moléculas de colágeno. Moléculas de colágeno altamente reticuladas produziram hidrogéis mais elásticos. Os hidrogéis que imitam ECM resultantes permitiram igualmente a ligação de células T pré-ativadas, mas, mais importante, permitiram sua estimulação com sinais mecânicos específicos.
“Até onde sabemos, este é o primeiro modelo de ECM que permite aos pesquisadores estudar células T com rigidez de viscoelasticidade desacoplada e, assim, permite que nós e outros no futuro investiguemos como as células imunes e outras podem ser reguladas mecanicamente”, disse o co-primeiro autor Yutong Liu, Ph.D., que era um estudante de pós-graduação no grupo de Mooney. “A estimulação mecânica definida e uniforme do sistema é muito diferente de como as células T são geralmente cultivadas – as células que se ligam ao fundo de uma placa de cultura encontram uma superfície altamente inelástica, enquanto as que permanecem em suspensão são cercadas pelo meio viscoso”.
Consequências naturais da ação mecânica
A equipe realizou uma extensa análise de células T expostas a diferentes condições viscoelásticas. “As células T que experimentaram uma matriz de colágeno mais elástica eram mais propensas a se desenvolver em ‘células T semelhantes a efetoras’, enquanto as células T que experimentaram uma matriz ECM mais viscosa se tornaram ‘células T semelhantes a memórias’”, disse o co-primeiro autor Kwasi Adu-Berchie, Ph.D., que completou seu Ph.D. no laboratório de Mooney e atualmente é cientista de imunoterapia translacional no Wyss Institute. “É importante ressaltar que descobrimos que o estado de uma célula T, resultante da viscoelasticidade de uma matriz, ainda mais de hidrogéis mais elásticos e menos viscosos, torna-se impresso a longo prazo, pois a célula retém uma memória daquela matriz específica após ser transferida para um diferente. Isso pode ter amplas implicações para a futura fabricação de células.”
A análise da expressão gênica levou a equipe à atividade de um fator de transcrição conhecido como AP-1, que liga a recepção das células T de um ambiente mecânico mais elástico e menos viscoso a um programa de expressão gênica mais semelhante ao efetor. Aumentou-se o número de complexos AP-1 com composições específicas e enriqueceram-se os genes que deles dependem para a sua expressão, não só em células T isoladas de hidrogéis mais elásticos, mas também em células T isoladas de tecidos cancerosos e fibróticos de pacientes, que são mais rígidos e mais elásticos do que os tecidos vizinhos saudáveis. Quando eles inibiram um dos componentes do AP-1 com uma droga, os efeitos de uma matriz de colágeno mais elástica nas células T foram impedidos.
Para investigar como diferentes estímulos mecânicos e assinaturas de expressão gênica previstas pelas células T se traduzem em características e funções reais, a equipe usou células CAR-T terapêuticas projetadas para ligar um antígeno específico de uma linha celular de linfoma humano. Células CAR-T que foram estimuladas em uma matriz de colágeno mais elástica em vitro exibiu uma capacidade mais forte para matar células de linfoma. Também na VivoAs células CAR-T estimuladas em uma matriz mais elástica e transferidas adotivamente para camundongos com o mesmo tipo de linfoma foram significativamente mais capazes de reduzir a carga tumoral nos animais e prolongar suas vidas do que as células CAR-T expostas a uma matriz menos elástica .
“Este estudo mescla três campos aparentemente díspares, biomateriais, imunoterapia e mecanobiologia, para desenvolver uma forma totalmente nova de mecanoterapêutica baseada em biomateriais. É fácil ver como essas descobertas podem potencialmente abrir novos caminhos para melhorar as terapias adotivas de células T para pacientes no futuro”, disse o diretor fundador da Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D., que também é o Judah Folkman Professor de Biologia Vascular na Harvard Medical School e no Boston Children’s Hospital, e o Hansjörg Wyss Professor de Engenharia Bioinspirada na SEAS.
Outros autores do estudo estavam presentes e ex-membros do grupo de Mooney, incluindo David Zhang, Benjamin Freedman, Joshua Brockman, Kyle Vining, Bryan Nerger e Andrea Garmilla. O estudo foi financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde (prêmio # R01 CA276459-01), Food and Drug Administration (prêmio # R01FD006589) e pelo Programa Wellcome Leap HOPE.
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