Wanneer T-cellen van ons immuunsysteem actief worden, spelen minuscule tractiekrachten op moleculair niveau een belangrijke rol

Wanneer T-cellen van ons immuunsysteem actief worden, spelen minuscule tractiekrachten op moleculair niveau een belangrijke rol. Ze zijn inmiddels gestudeerd aan de TU Wien.

In ons lichaam vinden constant zeer gecompliceerde processen plaats om ziekteverwekkers onder controle te houden: de T-cellen van ons immuunsysteem zijn druk bezig met het zoeken naar antigenen – verdachte moleculen die precies in bepaalde receptoren van de T-cellen passen als een sleutel in een slot. Hierdoor wordt de T-cel geactiveerd en worden de afweermechanismen van het immuunsysteem in gang gezet.

Hoe dit proces op moleculair niveau plaatsvindt, is nog niet goed begrepen. Wat nu echter duidelijk is, is dat niet alleen chemie een rol speelt bij het koppelen van antigenen aan de T-cel; micromechanische effecten zijn ook belangrijk. Submicrometerstructuren op het celoppervlak werken als microscopisch kleine trekveren. Kleine krachten die daarbij optreden, zijn waarschijnlijk van groot belang voor de herkenning van antigenen. Bij TU Wien is het nu mogelijk om deze krachten direct te observeren met behulp van hoogontwikkelde microscopiemethoden.

Dit werd mogelijk gemaakt door een samenwerking tussen TU Wien, Humbold Universität Berlin, ETH Zürich en MedUni Wenen. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nano Letters.

Ruiken en voelen

Wat de fysica betreft, werken onze menselijke sensorische organen op totaal verschillende manieren. We kunnen ruiken, dwz stoffen chemisch detecteren, en we kunnen aanraken, dwz objecten classificeren op basis van de mechanische weerstand die ze ons bieden. Het is vergelijkbaar met T-cellen: ze kunnen de specifieke structuur van bepaalde moleculen herkennen, maar ze kunnen antigenen ook mechanisch ‘voelen’.

“T-cellen hebben zogenaamde microvilli, kleine structuren die op haartjes lijken”, zegt prof. Gerhard Schütz, hoofd van de biofysica-werkgroep van het Institute of Applied Physics van de TU Wien. Zoals de experimenten lieten zien, kunnen opmerkelijke effecten optreden wanneer deze microvilli in contact komen met een object: de microvilli kunnen het object omsluiten, vergelijkbaar met een gebogen vinger die een potlood vasthoudt. Ze kunnen dan zelfs vergroten, zodat het vingervormige uitsteeksel uiteindelijk een langwerpige cilinder wordt, die over het object wordt gedraaid.

“Er treden kleine krachten op in het proces, in de orde van minder dan een nanonewton”, zegt Gerhard Schütz. Een nanonewton komt ongeveer overeen met de gewichtskracht die een waterdruppel met een diameter van een twintigste millimeter zou uitoefenen.

Krachtmeting in de hydrogel

Het meten van zulke kleine krachten is een uitdaging. “Dat lukt ons door de cel met kleine testpareltjes in een speciaal ontwikkelde gel te plaatsen. De bolletjes dragen moleculen op hun oppervlak waarop de T-cel reageert”, legt Gerhard Schütz uit. “Als we de weerstand kennen die onze gel op de bolletjes uitoefent en precies meten hoe ver de bolletjes bewegen in de directe omgeving van de T-cel, kunnen we de kracht berekenen die tussen de T-cel en de bolletjes werkt.”

Deze kleine krachten en het gedrag van de microvilli zijn waarschijnlijk belangrijk bij het herkennen van de moleculen en zo een immuunrespons teweeg te brengen. “We weten dat biomoleculen zoals eiwitten verschillend gedrag vertonen wanneer ze worden vervormd door mechanische krachten of wanneer bindingen eenvoudigweg worden getrokken”, zegt Gerhard Schütz. “Dergelijke mechanismen spelen waarschijnlijk ook een rol bij antigeenherkenning, en met onze meetmethoden kan dit nu voor het eerst in detail worden bestudeerd.”