Zytotoxische T-Zellen sind die spezialisierten "Killer" des Organismus, die infizierte oder krebsartige Zellen präzise eliminieren. Ihre Wirkung beruht auf einer spezialisierten Austauschzone, der sogenannten "immunologischen Synapse", wo sie aktive Moleküle freisetzen, um die Zielzelle zu zerstören, ohne benachbarte Zellen zu schädigen.
Bislang war die feine Organisation dieser Strukturen schwer zu beobachten. Eine Studie der Universität Genf (UNIGE) und des Waadtländer Universitätsspitals (CHUV) ermöglichte es, diese Mechanismen in drei Dimensionen in einem quasi-nativen Zustand sichtbar zu machen. Veröffentlicht in
Cell Reports, zeigt die Studie, wie die molekulare Organisation der zytotoxischen T-Zellen ihrer Funktion zugrunde liegt, und eröffnet neue Perspektiven in der Immunonkologie.
Ein zytotoxischer T-Lymphozyt, beobachtet mittels Kryo-Expansionsmikroskopie (cryo-ExM). Die farbigen Punkte im Zentrum sind zytotoxische Granula, die zur Zerstörung infizierter oder krebsartiger Zellen verwendet werden.
© F. Lemaitre @ UNIGE Bei einer Infektion oder Krebs heften sich zytotoxische T-Zellen an ihr Ziel und richten eine Austauschzone ein, die als "immunologische Synapse" bezeichnet wird, und setzen dann toxische Moleküle frei, die den Tod der Zielzelle auslösen. Dieser Mechanismus ermöglicht eine präzise und kontrollierte Zerstörung, die für den Schutz des Organismus unerlässlich ist, während benachbarte gesunde Zellen nicht geschädigt werden.
Indem sie eine dreidimensionale und quasi-native Sicht auf diese Prozesse liefern, schaffen diese Arbeiten einen Referenzrahmen für die Analyse der Funktionsweise von Immunzellen.
Obwohl dieser Prozess umfassend untersucht wird, blieb seine Organisation im Nanometerbereich in intakten menschlichen Zellen schwer zugänglich. Eines der Haupthindernisse sind die Methoden zur Probenvorbereitung, die empfindliche Zellstrukturen verändern können. Bestehende Bildgebungsverfahren erfordern oft Kompromisse zwischen Auflösung, beobachtbarem Volumen und Strukturerhaltung.
Eine Technik, um das Unsichtbare zu sehen
Um diese Grenzen zu überwinden, stützte sich eine Studie der UNIGE und des CHUV-UNIL, unterstützt durch das TANDEM-Programm der ISREC-Stiftung, auf die Kryo-Expansionsmikroskopie (cryo-ExM).
"Diese Technik besteht darin, die Zellen durch extrem schnelles Einfrieren schlagartig zu fixieren, wodurch sie in einen sogenannten glasartigen Zustand versetzt werden, in dem das Wasser erstarrt, ohne Kristalle zu bilden, und so die biologischen Strukturen getreu bewahrt. Die Proben werden dann mit Hilfe eines absorbierenden Hydrogels physikalisch vergrößert, was es ermöglicht, ihre innere Organisation mit hoher Präzision zu beobachten, während ihre quasi-native Architektur erhalten bleibt", erklärt Virginie Hamel, Dozentin und Forschungsleiterin am Departement für Molekular- und Zellbiologie der Fakultät für Naturwissenschaften der UNIGE.
3D-Rekonstruktion eines aktivierten, kryofixierten und expandierten CD8-T-Lymphozyten. Das Bild zeigt die Plasmamembran in transparentem Grau sowie die lytischen Granula, die Granzym B in Grün und Perforin in Magenta enthalten.
© F. Lemaitre @ UNIGE "Unsere Arbeiten zeigen, dass am Kontaktpunkt zwischen Immunzelle und Zielzelle die Membran eine Art Kuppel bildet, deren Struktur mit den Adhäsionsinteraktionen und der inneren Organisation der Zelle in Verbindung zu stehen scheint", betont Florent Lemaître, Postdoktorand am Departement für Molekularbiologie der Fakultät für Naturwissenschaften der UNIGE und Erstautor der Studie.
Das Forschungsteam hat außerdem die zytotoxischen Granula, die für die Zerstörung der Zielzellen verantwortlich sind, mit einem beispiellosen Detailgrad sichtbar gemacht. Es zeigt, dass diese Strukturen in ihrer Organisation variieren können, mit einem oder mehreren "Kernen", die die aktiven Moleküle konzentrieren, um die Zielzelle zu zerstören.
Von Zellen zu Patientinnen und Patienten
"Wir haben diesen Ansatz auf menschliches Tumorgewebe ausgeweitet, was es ermöglicht, direkt Tumor-infiltrierende T-Lymphozyten und ihre zytotoxische Maschinerie im Nanometerbereich zu beobachten. Dies erlaubt es, Immunantworten direkt in ihrem klinischen Kontext zu untersuchen und die Mechanismen besser zu verstehen, die ihre Wirksamkeit bestimmen", erklärt Benita Wolf, Oberärztin und assoziierte Forscherin an der Klinik für Onkologie des CHUV, die die Studie mitgeleitet hat.
Indem sie eine dreidimensionale und quasi-native Sicht auf diese Prozesse liefern, schaffen diese Arbeiten einen Referenzrahmen für die Analyse der Funktionsweise von Immunzellen. Sie könnten dazu beitragen, therapeutische Strategien zu verbessern, insbesondere in der Immunonkologie, indem sie ein besseres Verständnis der Mechanismen ermöglichen, die die Wirksamkeit – oder die Grenzen – der Immunantwort bestimmen.
Quelle: Universität Genf