Используя новые методы микроскопии в сочетании с анализом изображений на основе машинного обучения, исследователи из Фрайбурга обнаружили новые структуры на поверхности живых В-клеток, которые влияют на распределение и, возможно, функцию их антигенных рецепторов. Исследование ученых было опубликовано в журнале EMBO Journal.

В-клетки являются важнейшей частью нашей иммунной системы и распознают патогены через специализированные рецепторы на своей поверхности. Ученые из Фрайбургского университета теперь могут наблюдать, как эти рецепторы распределены на поверхности живых и движущихся клеток. Они обнаружили, что поверхность В-клеток имеет характерный ландшафт из взаимосвязанных гребней и выступов.

На этом ландшафте В-клеточные антигенные рецепторы класса IgM (IgM-BCR) скапливаются в определенных областях. Точность локализации рецепторов и их кластеризация в более крупные единицы, вероятно, представляют собой механизм, который контролирует рецепторную сигнализацию и облегчает распознавание антигена и, таким образом, активацию В-клеток.

В большинстве учебников по иммунологии лимфоциты изображаются как круглые, похожие на шар клетки, гладкая поверхность которых несет беспорядочно распределенные рецепторы. Представление о гладкой бесструктурной поверхности В-клеток было опровергнуто электронными микрофотографиями фиксированных и замороженных лимфоцитов, на которых были обнаружены тонкие мембранные выступы, называемые микроворсинками, на поверхности клеток. Эти щупальцеподобные структуры помогают иммунным клеткам искать молекулярные маркеры патогенов, так называемые антигены.

В-лимфоциты распознают такие антигены через различные классы своих В-клеточных антигенных рецепторов (BCR). Эти антигенные рецепторы представляют собой сложные молекулярные механизмы, которые при активации взаимодействуют с другими молекулами и запускают сигнальный каскад, приводящий к дифференциации В-клеток в плазматические клетки и выработке защитных антител.

Изображения живых клеток на очень высокой скорости

Исследовательская группа проф. д-ра Михаэля Рета из кластеров передового опыта BIOSS и CIBSS - Центра интегративных исследований биологической сигнализации при Фрайбургском университете сотрудничала с группой исследователя BIOSS и CIBSS проф. д-ра Ральфа Рески, исследователями из Euro-BioImaging (EMBL) и исследователями из Университета Оснабрюка (Германия) для анализа того, как IgM-BCR распределяется по 3D поверхности живых В-клеток.

Для этого они использовали метод, называемый микроскопией решетчатого светового листа, сокращенно LLSM. "Этот метод позволяет получать объемные изображения живых клеток с очень высокой скоростью", - объясняет доктор Дениз Салтукоглу из Фрайбургского университета, первый автор исследования.

"В других видах микроскопии высокого разрешения клетки должны быть прикреплены к плоской поверхности, что полностью изменяет внешнюю структуру B-клеток. LLSM позволила нам наблюдать за клетками в среде, имитирующей биологические ткани, что означает, что структуры и движения, которые мы видели, были практически не нарушены", - говорит она.

Затем исследователи разработали специальные инструменты анализа изображений для количественной и объективной оценки микроскопических данных. "Нам нужно было сегментировать изображения и выделить морфологические особенности", - описывает Салтукоглу.

"До сих пор это делалось только с двумерными данными, поэтому нам пришлось разработать новые вычислительные инструменты для объемных данных с временным интервалом". Для этого исследователи черпали вдохновение в алгоритмах, которые используются для картографирования географических данных при археологических исследованиях.

Используя этот подход, они обнаружили, что поверхность В-клеток представляет собой сеть приподнятых гребней, из пересечений которых растут микроворсинки. В этом "клеточном ландшафте" IgM-BCR образуют кластеры, которые концентрируются вдоль гребней, в непосредственной близости от оснований микроворсинок. Положение этих кластеров было связано с динамическим движением гребней на поверхности клеток.

"Мы думаем, что трехмерное расположение антигенных рецепторов контролирует их активность", - говорит Рет. "Локализация у основания микроворсинок может предотвратить их нежелательную активацию". Как только В-клетки получают сигнал опасности, они расширяют свои микроворсинки, и мы предполагаем, что кластеры IgM-BCR затем рекрутируются на кончик, где они локализуются в оптимальном положении для распознавания антигена".

Эта гипотеза согласуется с другими результатами работы группы Рета, которые предполагают, что IgM-BCR регулируются посредством латеральных взаимодействий с регуляторными корецепторами. Это означает, что положение и распределение антигенных рецепторов, вероятно, представляют собой дополнительные механизмы контроля, которые влияют на сигнализацию и активацию клеток иммунной системы.