Two-compartment biochip recapitulating dendritic cell migration for T cell priming

Abstract

T cell activation is a key initial step for antigen-specific immune responses. T cells are activated by dynamic interactions between dendritic cells (DCs) carrying antigens from peripheral tissues and T cells in secondary lymphoid organs such as lymph nodes (LNs).

In this thesis, we attempted to recapitulate T cell priming by DCs by building a two-compartment biochip. DCs were loaded in one compartment, and T cells were added in the other compartment. First, we incorporate chemokine gradient that direct DCs in one compartment to the other. Using 10 kDa fluorescein isothiocyanate (FITC)-dextran with a molecular weight similar to C-C chemokine ligand 19 (CCL19) inducing the chemotaxis of DCs, we observed how much the concentration gradient was retained in the biochip fabricated using lithography and polydimethylsiloxane (PDMS). In addition, the migration of DCs with and without concentration gradient of CCL19 was tracked and analyzed using imageJ and MATLAB. Next, we observed interactions between T cells and migrated DCs. In the case of DCs presenting antigenic peptides, one or more naïve T cells were attached to DCs to form stable clusters, and moved together. In contrast, DCs lacking antigenic peptides only transiently interacted with T cells.

This simple biochip can be an important first step toward to build more complex immune responses recapitulating various immune-related diseases such as cancer immunity cycle.

암 - 면역 사이클은 암세포에 의한 항원 방출부터 면역 세포에 의한 암세포 살상 단계까지를 설명한다. 이 사이클에 따르면, 수지상 세포와 같은 항원 제시 세포는 죽은 암세포에서 방출된 항원을 섭취한다. 항원 제시 세포는 면역 기관의 세포에서 분비되는 특정 분자의 농도 구배를 따라, 림프절이나 비장과 같은 이차 림프 기관으로 이동한다. 항원 제시 세포는 섭취한 항원을 미접촉 T 세포에 제시하고, 세포 독성 T 림프구와 같은 활성화 상태로 유도한다. 결과적으로, 활성화된 T 세포는 다시 암세포가 있는 조직으로 이동하여 암세포들을 인식하고 제거한다. 암-면역 사이클에서 중요한 역할을 하는 면역 세포의 기능을 강화한다면 면역항암제 연구에 많은 도움이 될 것이다. 하지만, 면역 체계는 매우 복잡하고 신체 전체에 걸쳐 일어나기 때문에, 사이클의 전체 과정을 한 번에 연구하는 것에는 상당히 어려움이 따른다. 따라서, 사이클의 특정 부분을 분리해서 재현할 수 있는 장치를 만들고, 여러 과정을 모사하는 칩들을 하나로 결합한다면, 면역항암제의 효능 평가나, 관찰하기 힘든 면역 세포간의 상호작용들의 연구에 박차를 가할 수 있을 것이다.

본 연구에서는 자체 제작한 생체 칩을 이용하여, 수지상 세포의 항원 섭취와 화학주성 및 미접촉 T 세포의 프라이밍을 재현하는데 초점을 맞추었다. 수지상 세포의 화학주성을 유도하는 CCL19과 유사한 분자량을 가지는 10 kDa FITC-dextran을 사용하여, 리소그래피 공정과 PDMS를 이용하여 제작된 생체 칩 안에서 농도 구배가 얼마나 유지되는지 확인했다. 또한, CCL19의 농도 구배의 유무에 따른 수지상 세포의 이동을 imageJ와 MATLAB 프로그램을 사용하여 추적 및 분석하였다. 더 나아가서, 항원 역할을 하는 ovalbumin 단백질 처리 유무에 따라서 수지상 세포가 미접촉 T 세포와 접촉했을 때 어떤 식으로 반응하는 지를 관찰했다. Ovalbumin 단백질이 처리된 수지상 세포의 경우, 하나 이상의 미접촉 T 세포가 수지상 세포에 붙어 함께 이동했다. 하지만, ovalbumin 단백질이 처리되지 않은 수지상 세포는 미접촉 T 세포와 별다른 상호작용을 보여주지 못했다.

이번에 자체 제작한 생체 칩은 암 - 면역 사이클의 일부만을 재현할 수 있다. 사이클의 다른 부분을 재현할 수 있는 생체 칩들을 개발하고 이 칩들을 하나로 연결하면, 결국 전체 사이클을 모사할 수 있는 칩을 얻을 수 있을 것이다. 최종 형태의 생체 칩에서 새로 개발된 면역항암제를 평가하거나 관찰하기 어려운 세포 간 상호 작용을 보다 정확하게 이해하는데 사용할 수 있을 것이다. 결과적으로, 동물 실험을 대체함으로써 윤리적 문제 또는 비용 및 시간 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대한다.