Hệ miễn dịch là một mạng lưới phức tạp gồm nhiều tế bào khác nhau cùng làm việc để chống xâm lấn. Việc chống nhiễm trùng thành công hay không phụ thuộc vào các tương tác giữa những tế bào này.

Một thiết bị mới được các kỹ sư tại MIT phát triển cung cấp một bức tranh chi tiết hơn nhiều về sự giao tiếp giữa các tế bào. Sử dụng thiết bị này để chụp các cặp tế bào và thu thập dữ liệu về mỗi cặp tế bào khi chúng tương tác với nhau, các nhà nghiên cứu đã hiểu được nhiều hơn về cách các tế bào T, những nhân tố quan trọng trong các phản ứng miễn dịch, được kích hoạt như thế nào khi bị nhiễm trùng.

Thiết bị này được chế tạo dựa trên công nghệ vi lỏng được Joel Voldman, Giáo sư kỹ thuật điện và khoa học máy tính (EECS) của MIT phát triển vào năm 2009. Nhóm nghiên cứu của Voldman đã sử dụng phiên bản này để trộn lẫn các tế bào trưởng thành với các tế bào gốc phôi, cho phép họ quan sát được việc tái lập trình gen xảy ra trong các tế bào lai này.

Sau nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu miễn dịch đã liên lạc với Voldman để hỏi xem liệu thiết bị có thể được điều chỉnh để nghiên cứu các tế bào miễn dịch không. “Rất nhiều những gì xảy ra trong hệ miễn dịch tế bào là các tế bào giao tiếp với các tế bào khác bằng cách tiếp xúc với chúng”, Voldman nói.

Voldman và Burak Dura, tác giả chính của bài báo và một nghiên cứu sinh tại EECS, đã dành nhiều năm để thiết kế lại thiết bị này để có thể quan sát được các tế bào miễn dịch có kích thước nhỏ hơn nhiều so với các tế bào được phân tích vào năm 2009.

Tiếp xúc có kiểm soát

Cho đến nay, cách phổ biến nhất để đo những tương tác giữa hai loại tế bào là trộn lẫn các tế bào này với nhau trong một ống nghiệm và quan sát chúng. Tuy nhiên, tính hữu dụng của phương pháp này rất hạn chế vì không đảm bảo được rằng mỗi tế bào sẽ tương tác với chỉ một tế bào khác.

“Việc không kiểm soát này làm cho khó có thể giải thích được kết quả mà bạn thu được”, Voldman nói.

Ngược lại, thiết bị của Voldman cho phép kiểm soát hoàn toàn việc ghép cặp của các tế bào. Thiết bị này gồm một chip với các ống giác bẫy tế bào được sắp xếp một cách chiến lược để giữ và kết cặp các tế bào. Đầu tiên, các tế bào loại A được cho đi qua chip theo một hướng và bị giữ lại trong các bẫy đơn bào. Sau đó, dòng tế bào này được đảo ngược, kéo các tế bào A vào các bẫy lớn hơn nằm đối diện với các bẫy đơn bào. Khi mỗi tế bào A ở trong một bẫy lớn, các tế bào B được cho đi vào và mỗi tế bào này kếp cặp với một tế bào A trong những bẫy lớn này.

Kỹ thuật này cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi hàng trăm cặp tế bào và theo dõi những gì đang xảy ra trong mỗi tế bào, điều không thể thực hiện được trước đó. Thiết bị cũng cho phép các nhà nghiên cứu kiểm soát chính xác quá trình tương tác của các tế bào.

“Chúng tôi biết chính xác thời gian tiếp xúc và chúng tôi có thể giữ cho chúng tiếp xúc trong suốt thời gian ở trong các ống giác này”, Dura nói. “Điều này cho phép chúng tôi không chỉ đo lường các thông số của các tế bào đơn lẻ mà còn đo được các cặp tế bào và tương quan các phản ứng này với nhau”.

Trong phiên bản mới của thiết bị này, các nhà nghiên cứu bổ sung thêm chức năng chụp ảnh độ phân giải cao, cho phép họ biết khi nào các mức canxi của tế bào dao động và khi nào chúng kích hoạt một loại protein truyền tín hiệu được gọi là sự photphoryl hóa.

“Đây là một cách rất tinh tế để thực hiện những thí nghiệm này”, Hang Lu, Giáo sư kỹ thuật sinh học phân tử và hóa học tại Viện Công nghệ Georgia, người không tham gia nghiên cứu cho biết. “Nó được kiểm soát rất tốt và bạn biết chính xác nơi để tìm các tế bào này và điều này làm cho việc chụp ảnh chúng cực kỳ hiệu quả và thông lượng cao”.

Kích hoạt phản ứng miễn dịch

Trong bài báo xuất bản trên tạp chí Nature Communications, Dura hợp tác với Stephanie Dougan, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Viện Whitehead, để nghiên cứu sự tương tác giữa các tế bào T và tế bào B, là chìa khóa để kích hoạt một phản ứng miễn dịch. Khi các tế bào B gặp các virus hay vi khuẩn, chúng sẽ hấp thụ các virus hay vi khuẩn này và để lộ ra các mảnh protein của virus hay vi khuẩn (được gọi là các kháng nguyên) trên các bề mặt tế bào của chúng. Khi những tế bào B này gặp các tế bào T có các thụ thể nhận ra kháng nguyên này, các tế bào T bị kích hoạt để giải phóng ra xytokin - hóa chất gây viêm có chức năng kiểm soát phản ứng miễn dịch - hoặc để tìm và tiêu diệt các tế bào nhiễm bệnh.

Mặc dù tất cả các tế bào T trong nghiên cứu này có các thụ thể tế bào T giống hệt nhau, nhóm nghiên cứu của MIT chỉ ra rằng chúng không phản ứng như nhau sau khi gặp các tế bào B mang các kháng nguyên giống hệt nhau trên bề mặt của chúng.

Sử dụng kỹ thuật chụp ảnh canxi để đo mức độ hoạt hóa của tế bào T, các nhà nghiên cứu tìm thấy rằng mức độ kích hoạt ban đầu phụ thuộc vào mức độ kháng nguyên biểu hiện. Ở các mức độ cao, hầu hết các tế bào phản ứng theo cùng một cách. Tuy nhiên, ở các mức kháng nguyên thấp hơn, các tế bào T phản ứng rất khác nhau. Những khác biệt này cũng liên quan đến những khác biệt trong sản xuất xytokin của tế bào T.

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ tiếp tục theo dõi cách các tế bào T đưa ra quyết định xác định số phận cuối cùng của chúng. Họ cũng có kế hoạch nghiên cứu các loại tương tác khác - ví dụ như các tế bào miễn dịch đã thông báo như thế nào để các tế bào T nhận ra và tiêu diệt các tế bào ung thư.