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来自多地区研究人员为探究 T 细胞对机械信号响应，构建双相刺激表面，发现其非线性响应，助力免疫疗法。
T 细胞是免疫系统中的关键角色，它通过 T 细胞受体（TCRs）识别抗原，并且需要额外的共刺激信号和细胞因子信号才能完全激活。除了生化信号外，T 细胞还会对机械信号，比如组织硬度作出反应。然而，传统的体外机械刺激平台提供的是均匀的机械环境，这与 T 细胞在体内所遇到的异质条件不同。
这项研究引入了一种具有交替软硬微区的双相机械 T 细胞刺激表面，以此来模拟 T 细胞在体内面临的复杂机械信号。研究结果显示，处于这种双相环境中的 T 细胞，并不会对机械信号进行平均处理，其反应与在均匀软表面上的 T 细胞相似，与在硬表面上的 T 细胞相比，激活程度更低。有趣的是，长期暴露在这种模式下，会促进中央记忆 T 细胞和效应 T 细胞表型的增殖，这与在硬环境中的情况类似。这些发现揭示了 T 细胞机械感知的非线性特性，表明机械异质性在调节 T 细胞反应中起着关键作用，为 T 细胞激活机制提供了新的见解，也为免疫疗法的发展带来了潜在影响。
T 细胞在免疫系统中发挥着重要作用，它能够识别并摧毁被感染的细胞或癌细胞，同时协调整体免疫反应。T 细胞识别抗原是基于 T 细胞受体（TCRs），TCRs 会与其他细胞表面主要组织相容性复合体（MHC）分子呈递的抗原肽相结合。T 细胞的激活，不仅需要抗原识别，还依赖于共刺激信号（由 T 细胞上的共刺激分子，如 CD28，与抗原呈递细胞（APCs）或靶细胞上的配体相互作用产生）以及细胞因子信号（由抗原呈递细胞或周围环境产生，与 T 细胞上的细胞因子受体结合，提供分化和存活信号 ）。最近有证据表明，除了这些生化信号，T 细胞还能检测并响应环境中的机械信号，比如组织的硬度或抗原呈递细胞的机械特性。这种机械感知对 T 细胞的激活和功能至关重要，因为在与抗原呈递细胞相互作用时所遇到的物理力和结构特性，会影响 TCR 的聚集、信号转导，最终影响免疫反应。这些研究表明，机械感知有助于 T 细胞区分不同类型的细胞，确保对感染和其他免疫挑战作出适当反应。
通过在具有不同弹性的机械刺激环境中对 T 细胞进行体外激活，可以系统地研究 T 细胞对机械信号的反应，常用的方法是使用功能化了抗原分子的弹性凝胶。多项研究表明，T 细胞的反应对弹性变化存在不同类型的依赖关系，比如随着弹性增加，T 细胞激活可能增加，也可能减少。T 细胞激活随环境弹性的变化趋势，在很大程度上取决于弹性范围以及刺激 T 细胞的实验条件。显然，目前关于 T 细胞对环境弹性反应的研究，只是触及了 T 细胞机械感知和机械转导复杂机制的表面，这些机制还有待充分阐明。
目前基于弹性体的 T 细胞机械刺激平台存在一个局限性，那就是它们提供的是均匀的机械环境，只能给 T 细胞传递单一类型的机械信号。这与 T 细胞的生理环境形成了鲜明对比，T 细胞的生理环境具有高度的机械异质性。在体内，T 细胞会与各种细胞和组织相互作用，其中包括相对柔软的淋巴器官，如淋巴结和脾脏，以及像皮肤和肌肉这样的外周组织，这些组织的硬度各不相同。此外，抗原呈递细胞，如树突状细胞、巨噬细胞、B 细胞和血管内的内皮细胞，也会同时为 T 细胞提供不同的机械刺激。在骨骼中，T 细胞既会接触到弹性达数十 Gpa 的皮质部分，也会接触到弹性仅为几千帕的骨髓。肿瘤是 T 细胞机械异质微环境的一个更为重要的例子，肿瘤中包含肿瘤细胞（约 1 - 几十千帕）、成纤维细胞（约 5 - 10 千帕）、免疫细胞（约 100 帕）以及细胞外基质，其主要成分纤连蛋白（约 1 - 15MPa）和胶原蛋白（约 5 - 10GPa）。细胞外基质会使迁移的淋巴细胞偏离肿瘤，阻止淋巴细胞浸润到癌组织中。由此产生了一个基本问题：当 T 细胞同时暴露在多方面的机械环境中，接收到不同的机械信号时，它是会对这些信号进行平均处理并产生平均反应，还是会有某一种信号占据主导地位呢？要解决这个问题，就需要一个能够同时提供不同机械信号的人工机械刺激环境，然而，这样的工程微环境此前尚未得到验证。
在这项研究中，研究人员探究了混合两种机械信号对 T 细胞免疫反应的影响。为此，他们构建了一个模型环境，该环境由具有交替软硬微区的双相机械表面构成，微区尺寸小于 T 细胞（图 1a） 。这样的设计确保了单个 T 细胞在与该表面接触时，必然会同时接触到来自两种微区的机械信号。研究人员在这些机械模式表面激活原代人类 T 细胞，并将其反应与在均匀（纯）软表面和硬表面上激活的 T 细胞进行比较。他们发现，在硬度模式表面激活的 T 细胞，并不会对不同硬度微区产生的机械信号进行平均处理，而是产生与均匀软表面上 T 细胞相当的较低激活水平，而均匀硬表面则会导致 T 细胞最高程度的激活。随后，研究人员研究了早期信号传导，发现其与均匀机械表面产生的信号类似。最后，研究人员通过表征 T 细胞的增殖和分化，测试了双相表面对 T 细胞功能的长期影响。特别地，他们发现，与软表面相比，硬度模式表面和硬表面一样，都能促进 T 细胞的中央记忆和效应表型的增殖。总体而言，这些结果首次证明了 T 细胞对来自双相环境的多重机械信号的非线性响应，为 T 细胞的机械感知提供了重要见解。
硬度模式的制备
将硅片切割成 2.5×2.5 平方厘米的方块，在丙酮中超声清洗 5 分钟，然后用乙醇冲洗。清洗后的样品在进行光刻工艺前，先溅射 20 纳米厚的金。接着，样品用 AZ1505 正性光刻胶（Microchemicals GmbH）进行旋涂，制作出直径为 3μm、边缘间距为 3μm 的六边形圆盘阵列。之后，样品转移到电子枪蒸发器中沉积 Cr。
结果
硬度模式是基于被柔软的聚二甲基硅氧烷（PDMS）包围的 SiO2圆盘六边形阵列。圆盘直径为 3μm，排列周期为 6μm。通过在基于覆盖有 Au 薄膜的硅的牺牲表面上制作硬圆盘，采用标准光刻、电子束蒸发 Cr/SiO2/Ti，然后进行剥离（图 1b），来制备这些阵列。然后，通过 PDMS 浇注和固化，将圆盘机械转移到 PDMS 上。
讨论
T 细胞所处的机械异质环境包含了 T 细胞在体内不同组织中穿梭并与各种细胞相互作用时所遇到的广泛物理特性和力。这种异质性显著影响 T 细胞的行为、激活、迁移以及整体免疫反应。像淋巴结和脾脏这样的淋巴器官，提供了相对柔软且有弹性的环境，有利于 T 细胞的激活以及与其他细胞的相互作用。
CRediT 作者贡献声明
Jatin Jawhir Pandit：撰写初稿、可视化、验证、软件、方法学、调查、形式分析、数据管理、概念化。
Abed Al-Kader Yassin：软件、形式分析、数据管理、概念化。
Carlos Ure?a Martin：可视化、软件、数据管理。
Guillaume Le Saux：撰写 - 评审与编辑、验证、项目管理、方法学、形式分析、概念化。
Angel Porgador：撰写 - 评审与编辑、验证
