Mechanische Kräfte in T-Zell Antigenerkennung

Das Projekt Mechanische Kräfte in T-Zellantigenerkennung beschäftigt sich mit einem der zentralen Fragestellungen der adaptiven Immunität. T-Zellen führen prominente Effektorfunktionen im Immunsystem durch und sind unteranderem dafür zuständig erkrankte Zellen zu erkennen und zu beseitigen, sowie B-Zellen bei der gezielten Produktion von Antikörpern zur Seite zu stehen. Für die erfolgreiche und spezifische Interaktion der genannten Zellen sind spezielle Oberflächenproteine, namentlich der T-Zellrezeptor und dessen Gegenstück, das MHC, verantwortlich. Das MHC trägt abhängig davon, ob die Zelle erkrankt ist oder nicht, unterschiedliche Erkennungsmoleküle. Der T- Zellrezeptor erkennt ob diese Moleküle von einem Krankheitserreger abstammen und veranlasst, falls nötig, die Aktivierung der Abwehrfunktionen. Für diese sogenannte T-Zellaktivierung gibt es viele unterschiedliche Modelle, die sich teilweise widersprechen. Der Einfluss von mechanischen Kräften hingegen, hat das Potential einen Großteil aller bisher vorliegenden experimentellen Ergebnisse zu erklären und ist daher hochinteresserant für Forschung und Medizin. In dem vorliegendem Projekt wird ein molekularer Kräftesensor in das MHC eingebaut. Das so veränderte MHC wird nun auf einem Glasplättchen verankert und den T-Zellen zur Bindung zur Verfügung gestellt. Sobald der T-Zellrezeptor an dem MHC bindet, registriert der Kräftesensor mit wieviel Kraft angezogen wird. Der Sensor besteht aus einer molekulare Feder, die sich unter einer definierten Spannung eine gewisse Distanz strecken kann. Die genaue Distanz der Federendpunkte kann durch Einzelmolekülmikoskopie bestimmt werden: Zwei endstämmige Fluorophore übertragen unter Lasereinstrahlung Teile ihrer Fluoreszenz auf benachbarte Fluorophore. Da dieser Prozess strikt von der Distanz der beiden interagierenden Fluorophore abhängt, kann anhand der ÜBertragungseffizienz die Streckung der Feder bestimmt werden. Anhand der Streckung wird dann die notwenidge Kraft berechnet, die nötig war die Feder in diesem Maße aufzuspannen. Der Kräftesensor hat eine außerordentlich hohe Kräfteauflösung (1-12 picoNewton), und kann mit Einzelmolekülmikroskopie in Echtzeit in lebenden Zellen beobachtet werden. Mithilfe dieses Sensors konnte ich direkt beobachten, dass T-Zellen mechanische Kräfte über ihren T-Zellrezeptor ausüben. Auf diesen Ergebnissen aufbauend, möchte ich nun folgende Fragen beantworten: (i) Sind T-Zellrezeptor-bedingte Krafteinwirkungen durch andere essentielle Oberflächenproteine modulierbar? (ii) Wird die Unterscheidung der MHC-präsentierten Erkennungsmoleküle durch mechanische Kräfte verbessert oder verschlechtert? (iii) Treten Kräfte im gleichen Maße in den natürlich auftretenden Zell-Zellkontakten auf, oder unterschieden sich diese von den Kräften, die die T-Zellen auf die Glasplättchen ausüben? Um diese Fragen zu beantworten, werde ich hochauflösende Mikroskope benutzen, die Einzelmolekülsignale detektieren bzw. die Kontaktebene der interagierenden Zellen abbilden können. Ich erwarte neue Erkenntnisse über die außerordentlich Sensitivität der T-Zellen zu erlangen und damit das Forschungsgebiet der adaptiven Immunität voranzutreiben.

"T-Zellen auf Zehenspitzen: Das Geheimnis der sanften Verteidigung" Unser Immunsystem verlässt sich auf eine Reihe mächtiger Verteidiger, die T-Zellen, welche eine entscheidende Rolle bei der Erkennung und Abwehr von schädlichen Eindringlingen wie Viren und Bakterien spielen. Diese Immunzellen können selbst die kleinsten Unterschiede zwischen gefährlichen Fremdpartikeln und den körpereigenen Zellen erkennen - eine Fähigkeit, die notwendig ist, um Krankheiten zu verhindern und gesunde Gewebe zu schützen. Aber wie gelingt es den T-Zellen, diese Präzision zu erreichen? Seit langem vermuteten Wissenschaftler, dass die von Zellen ausgeübten Kräfte bei der Erkennung entscheidend dazu beitragen könnten, zwischen Bedrohungen und harmlosen Elementen zu unterscheiden. Die Mechanik dieses Prozesses blieb jedoch weitgehend unverstanden. Unsere Untersuchung beschäftigt sich mit der Frage, ob diese Kräfte stark genug sind, um das Verhalten von T-Zellen bei der Erkennung und Reaktion auf Fremdpartikel zu verändern. Wir entwickelten einen experimentellen Ansatz mit modernsten Untersuchungsmethoden, um die Zugkräfte zu messen, die T-Zellen auf Zielmoleküle ausüben. Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese Kräfte überraschend schwach und selten sind - durchschnittlich weniger als 5 Piconewton, ein äußerst sanfter Zug. Wichtig ist, dass nur ein kleiner Bruchteil dieser Interaktionen messbare Kräfte umfasste. Dies deutet darauf hin, dass T-Zellen für die Erkennung nur selten auf physikalisches Ziehen angewiesen sind. Zusätzlich untersuchten wir, wie sich die Stärke dieser Kräfte auf die Dauer der molekularen Interaktionen, den sogenannten Bindungslebenszeiten, zwischen T-Zellen und ihren Zielen auswirkte. Entgegen den bisherigen Annahmen stellten wir fest, dass Veränderungen der Zugkraft keinen Einfluss auf diese Bindungslaufzeiten haben. Auch wenn wir die experimentellen Bedingungen anpassten, sodass die Kräfte zunahmen oder abnahmen, blieben die Interaktionen stabil. Diese bahnbrechende Entdeckung stellt unser bisheriges Verständnis, wie T-Zellen ihre Aufgaben erfüllen, in Frage. Anstatt die Kraft zur Verbesserung der Erkennung zu nutzen, scheinen T-Zellen eine stabile, kontrollierte Umgebung zu schaffen, die mechanische Störungen minimiert. Auf diese Weise können sie sich darauf konzentrieren, Bindungslaufzeiten präzise zu erfassen - ein entscheidender Faktor, um zwischen echten Bedrohungen und körpereigenen Zellen zu unterscheiden. Diese Erkenntnisse eröffnen neue Forschungsansätze zur Funktion des Immunsystems und könnten weitreichende Auswirkungen auf die Entwicklung von Behandlungen für Autoimmunerkrankungen und die Verbesserung von Immuntherapien haben. Zu verstehen, wie T-Zellen eine so präzise Erkennung ohne den Einsatz von Kraft erreichen, könnte innovative Strategien zur Modulation von Immunantworten in verschiedenen medizinischen Anwendungen inspirieren. Unsere Studie bietet eine neue Perspektive auf die eleganten und präzisen Mechanismen, mit denen T-Zellen unser Immunsystem effektiv steuern, und verdeutlicht die Komplexität der natürlichen Abwehrstrategien unseres Körpers.