Für die Infektionen bekämpfen Zellen, eine Leitlinie für den ausbau der Truppen: Forscher blicken in die mathematische Beziehung, die beschreibt, wie T-Zellen expandieren in Reaktion auf eine Infektion

T-Zellen sind, wie auch die „special ops“ – Kräfte des Immunsystems, aufspüren und töten von infizierten Zellen. Wenn eine neue Bedrohung erkannt wird, werden die Zellen ramp-up von nur ein paar sentry-Zellen zu einem vollständigen Zug. Aber wie funktioniert das Immunsystem nur noch die richtige Menge an T-Zellen, wenn die Start-Populationen von T-Zellen variieren?

Nun wird ein team aus Princeton zur Verfügung gestellt hat Einblick in diese Frage mit Hilfe der mathematischen Modellierung. Das team fand heraus, dass die wichtigsten Faktoren, wie T-Zellen zu expandieren, wurden die beginnende Menge des infektiösen Agens und der Affinität der Zellen für diesen Agenten. Die Forschung, die helfen könnten, optimieren Impfstoff-Strategien, wurde online veröffentlicht Letzte Woche in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences.

Das Princeton-team war fasziniert von dieser Frage nach einer aktuellen Studie von einem anderen team (Quiel, et al.) festgestellt, dass diese ramp-up folgt einem vorhersagbaren Muster: Wenn die erste Anzahl von T-Zellen ist klein, die ramp-up ist groß, aber wenn der Anfang Anzahl der T-Zellen ist groß, die ramp-up ist kleiner. Diese Beziehung folgt eine mathematische „power law“, das besagt, dass die Menge der T-Zell-expansion hängt Umgekehrt als eine Leistung von der ursprünglichen Anzahl der T-Zellen.

„Die Bedeutung dieser beobachtete Beziehung ist, dass, obwohl das Immunsystem ist sehr kompliziert und hat alle Arten von feedback-Mechanismen, die Sie sehen, eine Art von Regelmäßigkeit, was bedeutet, es ist wahrscheinlich irgendeine Art von einfachen Grunde liegende Mechanismus bei der Arbeit“, sagte Ned Wingreen, die Howard A. Vor der Professor in der Life-Sciences, professor der Molekularbiologie und der Lewis-Sigler Institut für Integrative Genomik, und senior-Autor auf der Studie. „Ob Sie 50 oder 50.000 Zellen, der Prozess, ist für Ihre Amplifikation ist die gleiche.“

Das Ergebnis dieser Beziehung ist, dass, egal ob es wenige oder viele T-Zellen zu beginnen, die endgültige Zahl bereit, um Infektionen zu bekämpfen ist weder zu groß noch zu klein. Dies macht Sinn, für den Organismus im Kampf gegen die Infektion, aber das Princeton-team fragte sich, was geschieht im Immunsystem, um diese selektive ramp-up möglich.

Der erste Autor Andreas Mayer, associate research scholar in Princeton in Lewis-Sigler Institut für Integrative Genomik, und das team verwendet die mathematische Modellierung, um zu untersuchen, wie T-Zellen reagieren, wenn eine Infektion Auftritt.

T-Zellen sind gespickt mit Rezeptoren in der Lage, bits von infektiöse Agenzien, bekannt als Antigene auf der Oberfläche von infizierten Zellen. Wenn der T-Zell-Rezeptoren stick an Antigene auf der Oberfläche dieser Zellen, die T-Zellen angeregt, mit sich selbst zu Klonen, um eine Infektion-kämpfende Armee.

Früh in eine neue Infektion, antigen-Präsentierenden Zellen zeigen viele Antigene auf Ihren Oberflächen, aber diese Präsentation schwindet im Laufe der Zeit, vor allem, wenn die Infektion erfolgreich vom Immunsystem bekämpft.

Das team fand heraus, dass diese abnehmende Niveaus von antigen bieten einen einfachen Mechanismus, der erklären kann, der power-law-Beziehung.

Die Idee ist, dass T-Zellen verstärken Ihre maximale rate, bis der sinkenden Zahl von Antigenen bedeutet, dass die T-Zellen nicht mehr in der Lage zu finden Antigene.

„Wenn Sie beginnen mit einer geringen Anzahl von T-Zellen, die Sie erhalten, zu erweitern, für länger, bis Sie erreichen die abnehmenden Antigene,“ sagte Mayer. „Aber wenn Sie beginnen, mit einer größeren Anzahl von T-Zellen, die dann relativ schnell laufen Sie die Antigene.“ T-Zellen, nicht finden können Antigene schließlich stoppen geteilt.

Diese Beziehung macht evolutionären Sinn, Wingreen gesagt, weil, wenn die Infektion Weg ist, die T-Zellen aufhören zu expandieren, halten das Immunsystem von immer überaktiv.

Das team untersuchte auch eine weitere Facette der Beziehung zwischen T-Zellen und antigen-Präsentierenden Zellen: wie stark die beiden interagieren. Ihr Modell vorhergesagt, dass die Zellen, die kleben sehr stark an das antigen wuchern länger: je höher die Affinität für das antigen ist, desto größer die endgültige Anzahl von Zellen. Die Forscher waren in der Lage zu überprüfen, diese Vorhersage durch die Neuanalyse der Daten von den anderen bereits veröffentlichten Studie (Zehn, et al.).

„Wir freuen uns besonders, dass unser Modell erklären kann mehrere phänomenologische Gesetze, wie T-Zellen erweitern,“ sagte Mayer. „Als wir anfingen, haben wir nicht erwarten, wie ein einfacher Mechanismus zu erklären, so viele verschiedene Beobachtungen.“

Diese Beziehungen vorschlagen, lehren für die Impfstoff-Entwickler, Wingreen, sagte. Impfstoffe beinhalten die Verwendung von Antigenen zu stimulieren die Produktion von Zellen des Immunsystems. Mathematische Modelle können helfen, Forscher herauszufinden, wie viel antigen benötigt wird, um eine optimale Immunantwort.

Die Studie „die Regulierung der T-Zell-expansion von antigen-Präsentation dynamics“ von Andreas Mayer, Yaojun Zhang, associate research scholar in Physik an der Princeton Center for Theoretical Science, Alan S. Perelson des Los Alamos National Laboratory, und Ned S. Wingreen, wurde veröffentlicht online am 8. März 2019, die in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences.

Diese Arbeit wurde unterstützt von der National Science Foundation, durch die Princeton-Zentrum für die Physik der Biologischen Funktion, der Nationalen Institute der Gesundheit, die Gordon und Betty Moore Foundation und dem US Department of Energy.