佐治亚理工学院的研究人员开发了实验室培养的人类免疫系统模型，称为免疫类器官，用于研究癌症患者的免疫功能并改进疫苗开发。这些合成水凝胶模拟免疫环境，使研究人员能够精确研究免疫脆弱性，特别是在淋巴瘤幸存者中，并促进创新治疗。
这些微型模型有潜力显著加快疫苗开发，推进癌症治疗研究，并增强广泛疾病患者的健康结果。为了深入了解为什么一些癌症患者难以抵抗感染，佐治亚理工学院的研究人员开发了微型实验室培养的人类免疫系统模型。这些模型被称为人类免疫类器官，模仿免疫细胞学习识别和攻击有害入侵者以及响应疫苗的真实环境。这些类器官不仅是研究和观察癌症免疫功能的强大新工具，其应用还可能加速疫苗开发，更好地预测患者的疾病治疗反应，甚至加快临床试验。
“我们的合成水凝胶为人类免疫类器官创造了一个突破性的环境，使我们能够从头开始更精确、更长时间地模拟抗体生产，”Ankur Singh说，他是乔治·W·伍德拉夫机械工程学院的Carl Ring家族教授，同时也是佐治亚理工学院和埃默里大学华莱士H·库尔特生物医学工程系的教授。“我们首次能够在合成凝胶中重现并维持复杂的免疫过程，使用血液并有效追踪B细胞反应，”他补充道，“这对于理解并治疗接受过癌症治疗的淋巴瘤患者的免疫脆弱性是一个游戏规则的改变者，希望也能应用于其他疾病。”
由Singh领导的团队创建了模拟人类扁桃体和淋巴结组织的实验室培养免疫系统，以更准确地研究免疫反应。他们的研究成果发表在《自然材料》杂志上，标志着向更接近人体免疫学的体外模型的转变。研究团队还包括来自埃默里大学、亚特兰大儿童医院和范德比尔特大学的研究人员。
设计微型免疫系统模型
研究人员受到一个关键问题的启发：将动物模型中的临床前发现成功转化为有效的临床结果的成功率较低，尤其是在免疫力、感染和疫苗反应方面。“虽然动物模型对于许多类型的研究很有价值，但它们往往无法准确反映现实的人类免疫生物学、疾病机制和治疗反应，”论文的第一作者、生物工程博士生Monica（Zhe）Zhong说。“为了解决这个问题，我们设计了一种新的模型，忠实地复制了人类免疫生物学在分子、细胞、组织和系统水平上的独特复杂性。”
左侧图像显示了免疫器官芯片，右侧图像显示了用于研究人类供体反应的类器官。右侧图像显示了与抗体反应相关的免疫细胞类型的发育。图片来源：Ankur Singh，佐治亚理工学院
该团队使用合成水凝胶重现了B细胞从人类血液和扁桃体中成熟并产生抗体的微环境。当来自健康供体或淋巴瘤患者的免疫细胞在这些凝胶状环境中培养时，类器官支持更长时间的细胞功能，使抗体形成和适应等过程类似于人体内发生的过程。利用针对个别患者的类器官可以帮助预测个体对感染的反应。
这些模型还使研究人员能够控制和测试各种条件下的免疫反应。团队发现，并非所有组织来源都是相同的，扁桃体细胞存在寿命问题。他们使用专门的装置研究健康免疫细胞如何对帮助它们对抗感染的信号作出反应，而这种信号未能触发淋巴瘤幸存者细胞的相同反应，尽管这些患者似乎已经从免疫治疗中恢复。
通过嵌入新型免疫器官芯片技术的类器官，研究团队观察到，经过某些免疫治疗的淋巴瘤幸存者的免疫细胞不会像在强免疫反应中那样组织成特定的“区域”。这种缺乏组织性可能解释了癌症幸存者面临的一些免疫挑战，这在最近的临床发现中得到了证实。
革命性技术
这项研究主要引起传染病研究人员、癌症研究人员、免疫学家和致力于改善患者预后的医疗保健专业人士的兴趣。通过研究这些微型免疫系统，他们可以确定为什么当前的治疗方法可能无效，并探索增强免疫防御的新策略。
“接受CD20靶向治疗的淋巴瘤患者通常在完成治疗后多年仍面临感染风险增加的问题。了解这些长期影响对抗体反应的影响可能是提高淋巴瘤幸存者安全性和生活质量的关键，”埃默里大学温希普癌症研究所血液学和肿瘤学系副教授Jean Koff博士和论文的共同作者说。“这项技术提供了更深入的生物学见解，并提供了一种创新的方法来监测免疫缺陷随时间的恢复情况。它可以帮助临床医生更好地识别可以从减少感染风险的具体干预措施中受益的患者，”Koff补充道。
这项研究的另一个关键和有前景的方面是其可扩展性：一名研究人员可以在一次操作中制造数百个类器官。该模型能够针对不同的群体——无论是健康人群还是免疫抑制患者——大大增加了其在疫苗和治疗测试中的可用性。
据Singh介绍，他是佐治亚理工学院免疫工程中心的主任，研究团队正在将研究推向新的维度，包括开发细胞疗法和老化免疫系统模型，以解决与衰老相关的问题。“最终，这项工作最直接影响的是癌症患者和幸存者，他们经常面临免疫反应减弱的问题，可能对标准治疗如疫苗反应不佳，”Singh解释道。“这一突破可能导致增强免疫防御的新方法，最终帮助易感患者保持健康并更全面地康复。”
参考文献：“Human immune organoids to decode B cell response in healthy donors and patients with lymphoma” by Zhe Zhong, Manuel Quiñones-Pérez, Zhonghao Dai, Valeria M. Juarez, Eshant Bhatia, Christopher R. Carlson, Shivem B. Shah, Anjali Patel, Zhou Fang, Thomas Hu, Mayar Allam, Sakeenah L. Hicks, Mansi Gupta, Sneh Lata Gupta, Ethan Weeks, Stephanie D. Vagelos, Alejandro Molina, Adriana Mulero-Russe, Ana Mora-Boza, Devyani J. Joshi, Rafick P. Sekaly, Todd Sulchek, Steven L. Goudy, Jens Wrammert, Krishnendu Roy, Jeremy M. Boss, Ahmet F. Coskun, Christopher D. Scharer, Andrés J. García, Jean L. Koff and Ankur Singh, 6 November 2024, Nature Materials. DOI: 10.1038/s41563-024-02037-1
这项研究最初由Wellcome Leap HOPE计划资助。这一支持导致了近期资金的增加，包括最近从国家过敏和传染病研究所获得的750万美元拨款。
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