免疫系统非常复杂，但现在，它在芯片上

引用资深科学作家Ed Yong在《大西洋，“免疫系统非常复杂。”正如COVID-19大流行已经充分表明的那样，科学仍然没有完全理解保护我们免受微生物入侵的复杂防御机制。为什么有些人感染SARS-CoV-2后没有症状，而另一些人却会出现严重的发烧和身体疼痛?为什么有些人会屈服于身体自己制造的细胞因子风暴?对于这些问题，我们仍然缺乏确切的答案。

然而，今天的科学家们现在有了一种新的工具来帮助他们梳理免疫系统的奥秘，这要感谢哈佛大学威斯生物激励工程研究所的一组研究人员。他们在微流控器官芯片装置中培养人类B细胞和T细胞，并诱导它们自发形成功能性淋巴滤泡——这种结构存在于细胞中淋巴结以及人体其他调节免疫反应的部位。它们由容纳“naïve”B细胞和T细胞的不同腔室组成，当它们暴露于特定抗原时，它们共同启动导致完整免疫反应的级联事件。

除了允许研究人员探测免疫系统的正常功能外，这些淋巴滤泡(LF)芯片还可以用于预测对各种疫苗的免疫反应，并帮助选择表现最好的疫苗，比现有的疫苗有显著改进临床前模型比如培养皿中的细胞和非人灵长类动物。这一成就今天在先进的科学．

“动物一直是开发和测试新疫苗的黄金标准研究模型，但它们的免疫系统与我们自己的有很大不同，不能准确预测人类将如何对它们做出反应。我们的LF芯片提供了一种方法来模拟人类对感染和疫苗接种的免疫反应的复杂过程，并可以显著加快未来疫苗制造的速度和质量，”第一作者Girija Goyal博士说，他是威斯研究所的高级科学家。

偶然的发现

像许多伟大的科学发现一样，LF芯片项目是实验室偶然发现的结果。Goyal和其他Wyss研究所的科学家想要研究血液中循环的B细胞和T细胞一旦进入组织会如何改变它们的行为，所以他们从人类血液样本中获得了这些细胞，并在微流体器官芯片设备中培养它们，以复制它们遇到器官时所经历的物理条件。

当细胞被放置在设备的两个通道之一时，没有什么显著的变化，但当研究人员开始通过另一个通道向细胞输送培养基时，他们惊讶地发现，在器官芯片中，B细胞和T细胞开始自发地自组织成3D结构，看起来类似于“生发中心”——LFs中发生复杂免疫反应的结构。戈亚尔说:“这太出乎意料了，我们完全偏离了最初的实验，专注于试图弄清楚它们是什么。”

当研究人员开始探索在流动条件下器官芯片内部形成的神秘结构时，他们发现细胞正在分泌一种名为CXCL13的化学物质。CXCL13是LF形成的标志，无论是在淋巴结内还是在身体的其他部位，都是对慢性炎症的反应，如在癌症和自身免疫性疾病中。

研究小组还发现LFs内的B细胞在-上自组装芯片还表达了一种叫做活化诱导胞苷脱氨酶(AID)的酶，这种酶对于激活B细胞对抗特定抗原至关重要，而在血液中循环的B细胞中不存在。

在标准2D培养皿中培养的细胞中CXCL13和AID都不存在，这表明科学家们确实成功地从循环血细胞中培养出了功能性LFs。

在人体内的LFs中，活化的B细胞成熟并分化为多种类型的子代细胞，包括浆细胞它们会分泌大量针对特定病原体的抗体。研究小组在LF芯片中检测到了浆细胞的存在，他们在实验室中使用了几种刺激来激活B细胞，比如细胞因子IL-4和抗cd40抗体的组合，或者死细菌。值得注意的是，浆细胞在LFs内集中成簇，就像它们在体内一样。

“这些发现特别令人兴奋，因为它们证实了我们有一个功能模型，可以用来解开人类免疫系统的一些复杂性，包括它对多种病原体的反应，”威斯研究所的技术人员、该论文的第二作者Pranav Prabhala说。

芯片上预测疫苗功效

现在，科学家们已经有了一个可以启动免疫反应的功能性LF模型，他们探索了他们的LF芯片是否可以用于复制和研究人类免疫系统对疫苗的反应

在人体内，接种疫苗会诱导一种叫做树突细胞的特殊细胞接受注射的病原体，并迁移到淋巴结，在淋巴结表面呈现树突细胞的碎片。在那里，这些抗原提呈细胞在LF中局部T细胞的帮助下激活B细胞，导致B细胞分化为浆细胞，产生对抗病原体的抗体。为了复制这一过程，研究人员将树突状细胞与来自四个不同人类捐赠者的B细胞和T细胞一起添加到LF芯片中。然后，他们将一种针对H5N1型流感的疫苗和一种名为SWE的佐剂接种在芯片上，这种佐剂已知可以增强对疫苗的免疫反应。

接种了疫苗和佐剂的LF芯片产生的浆细胞和抗流感抗体明显多于在2D培养中生长的B和T细胞，或接种了疫苗但未接种佐剂的LF芯片产生的浆细胞和抗流感抗体。

然后，研究小组用来自8个不同捐赠者的细胞重复了实验，这次使用的是市售的Fluzone^Ⓡ流感疫苗，可预防人体三种不同的病毒株。再一次，浆细胞和抗流感抗体在处理过的LF芯片中大量存在。他们还测量了接种过的LF芯片中已知由激活的免疫细胞分泌的四种细胞因子的水平，并发现其中三种细胞因子(IFN-γ， IL-10和IL-2)的水平与接种过Fluzone的人的血清中发现的水平相似^Ⓡ．

Wyss的研究人员现在正在与制药公司和盖茨基金会合作，使用他们的LF芯片测试各种疫苗和佐剂。

“COVID-19大流行引发的疫苗开发工作的速度令人印象深刻，但需求的增加突然使传统的动物模型资源变得稀缺。LF芯片为研究人类对感染和疫苗的免疫反应提供了一种更便宜、更快、更可预测的模型，我们希望它能在未来简化和改进针对许多疾病的疫苗开发。”通讯作者Donald Ingber医学博士说，他是Wyss研究所的创始主任，也是哈佛医学院(HMS)和波士顿儿童医院的Judah Folkman血管生物学教授，以及哈佛大学约翰·a·保尔森工程和应用科学学院的生物工程教授。