Nature： T细胞“狩猎”寄生虫

Pennsylvania大学的跨学科研究团队结合免疫系统功能和统计物理学，得到了惊人发现：T细胞靶标寄生虫的方式与猴子、鲨鱼和蓝鳍金枪鱼等动物捕捉猎物相似。该研究发表在Nature杂志上。

　　

生物通报道：结合免疫系统功能和统计物理学，Pennsylvania大学的跨学科研究团队得到了惊人发现：T细胞追踪寄生虫的方式与猴子、鲨鱼和蓝鳍金枪鱼等动物捕捉猎物相似。该研究发表在Nature杂志上，

这一免疫细胞运动模式的新发现，能帮助科学家建立更准确的免疫系统功能模型，从而研发癌症、HIV/AIDS和关节炎等疾病的新治疗方法。

Penn大学兽医学院病理学系的Christopher Hunter教授和物理学教授Andrea Liu领导其实验室合作进行了这项研究。研究人员对感染了弓形虫Toxoplasma gondii的小鼠进行研究。这种单细胞病原体是人类和动物的常见感染源，有三分之一的人类大脑携带休眠状态的这种寄生虫感染。然而，对于HIV/AIDS患者或接受器官移植的患者等免疫功能缺陷的个体，这种感染可能引发包括脑部炎症甚至死亡的严重后果。

此前有研究表明， T细胞是防治T. gondii感染疾病的关键。在这项新研究中，Penn研究人员用感染小鼠作模型，研究大脑中的T细胞运动对机体控制T. gondii感染的能力有何影响。

免疫学家普遍认为免疫细胞的运动由信号蛋白趋化因子chemokines控制。Penn的研究团队显示，T. gondii感染的小鼠大脑中产生了大量趋化因子CXCL10及其受体。当CXCL10被阻断时，小鼠产生的T细胞更少，寄生虫更多繁殖能力更强。

随后，研究人员在T. gondii感染小鼠的活组织中研究单个T细胞的确切运动模式。研究人员使用了能实时显示活组织3D图像的显微镜，多光子成像技术multi-photon imaging。通过该技术，研究团队发现CXCL10影响着T细胞寻找并控制感染的速度。

许多免疫学家都假设T细是以一种高度直接的方式来靶标感染细胞的。但当研究人员分析T细胞的运动时，他们发现这些运动数据并不符合之前的假设：T细胞没有显示出直接性的运动。

这时统计物理学专家Liu 和Banigan加入进来。“我们以一种更完整的方式来量化这些运动轨迹，发现这些运动轨迹完全不符合标准模式，”Liu说。“经过研究我们找到了更符合的模式。”“我们最终找到的这种模式很有趣，”Banigan说，这种模式就是Lévy walk。

这种“行走模式”或数学路径，包括许多短“steps”和偶尔的长“runs”。然而这种模型还不能完全与细胞运动数据一致。“我只能寻求Lévy walk模式的变形，”Banigan说。研究人员发现T细胞在steps和runs之间还有停顿，该停顿通常很短，但偶尔也会很长。

Hunter把这种运动模式比做人们在房间里找钥匙的过程。“当你的钥匙不见了，你会怎样去寻找？人们通常采取的方式是，在这里找一下，然后到别处再找找，”他说，而这是一种有效的寻找方式。

研究团队对Lévy策略和其他策略进行比较，他们的确发现Lévy行走模式在寻找稀少目标方面更加有效。对T细胞来说更是如此，因为它要在绝大多数的正常组织中寻找少数分散的寄生虫，这正如大海捞针。

有趣的是，采用Lévy行走模式搜寻目标的并不仅是T细胞。一些动物捕食者也以同样的运动模式来寻找猎物，即偶尔的长途运动间杂许多短途运动。尽管陆生动物蜘蛛猴和蜜蜂等也使用Lévy行走模式寻找食物，这种运动模式在海洋捕猎者中更为常见，包括金枪鱼、鲨鱼、海龟和企鹅等。

T细胞与动物猎食者的这种类似性还在于，寄生虫也像猎物那样能进行躲避。“许多病原体知道如何躲避，因此T细胞不能直接靶向其目标，”Hunter说，“T细胞需要确实进入一个区域看看是否有目标存在。”

该模式也与癌症和其他免疫性疾病有关。“这时T细胞不是寻找寄生虫，而是寻找癌细胞，”他说。通过了解T细胞运动的控制机制，“人们可能使T细胞更有效的靶标癌细胞。”

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

Generalized Lévy walks and the role of chemokines in migration of effector CD8⁺ T cells

Chemokines have a central role in regulating processes essential to the immune function of T cells^{1, 2, 3}, such as their migration within lymphoid tissues and targeting of pathogens in sites of inflammation. Here we track T cells using multi-photon microscopy to demonstrate that the chemokine CXCL10 enhances the ability of CD8⁺ T cells to control the pathogen Toxoplasma gondii in the brains of chronically infected mice. This chemokine boosts T-cell function in two different ways: it maintains the effector T-cell population in the brain and speeds up the average migration speed without changing the nature of the walk statistics. Notably, these statistics are not Brownian; rather, CD8⁺ T-cell motility in the brain is well described by a generalized Lévy walk. According to our model, this unexpected feature enables T cells to find rare targets with more than an order of magnitude more efficiency than Brownian random walkers. Thus, CD8⁺ T-cell behaviour is similar to Lévy strategies reported in organisms ranging from mussels to marine predators and monkeys^{4, 5, 6, 7, 8, 9, 10}, and CXCL10 aids T cells in shortening the average time taken to find rare targets.