科学家搭建体外细胞骨架模型，证实力学信号对于T细胞的影响，将为CAR-T药物研发提供指导

“这项研究能直接用于提升 T 细胞疗法和 CAR-T 细胞疗法的功效。具体来说，我们搭建了一款细胞骨架模型，能用于研究细胞骨架力学性质对于其他种类细胞的影响，进而能为细胞疗法的发展或揭示相关机理带来促进作用，以及为药物研发提供指导。”哈佛大学博士生刘禹彤表示。

(资料图片仅供参考)

图 | 刘禹彤（来源：刘禹彤）

日前，她和所在团队发现当 CAR-T 细胞被暴露在弹性更高的细胞骨架之中，杀死肿瘤细胞的能力会更强，对于小鼠肿瘤的控制力度也更大。

对于肿瘤我们并不陌生，其内部是一个非常复杂的微环境。在肿瘤逐渐变大的过程中，肿瘤会持续向外释放各种细胞信号因子，以便达到改造环境、促进血管生成、诱导免疫耐受的目的。

同时，它也会合成大量的胶原蛋白并向周围释放，同时也会释放大量的赖氨酰氧化酶，以便和细胞骨架发生交联。

期间，肿瘤的生物力学特性会发生较大的变化，硬度和弹性都会慢慢增高。

此前，肿瘤的生物力学特性已经被证实会影响肿瘤细胞的生长和侵袭能力。学界也曾提议将这种生物力学特性作为癌症诊断和癌症预后的指标。

那么，由肿瘤发展所导致的生物力学特性的改变，到底会对免疫细胞产生哪些影响？对于这一问题的答案，至今尚无人知。

基于上述背景，刘禹彤等人开展了本次研究。其表示：“当时，这次论文的共同一作 Kwasi 发现当把 T 细胞放在不同浓度的胶原蛋白里，它们的表型会出现不同。对于这个发现我们都很感兴趣，觉得可能是细胞骨架本身就能对 T 细胞造成影响。”

与此同时，他们也意识到并不能单纯地使用胶原蛋白。原因在于无法在未经修改的胶原蛋白骨架上分离硬度和粘弹性。因为这两个参数是互相关联的，往往其中一个改变，另一个也会随之改变，这样无法获悉所观测的结果到底来自哪个参数的变化。

因此，她和 Kwasi 设计并验证了一个基于胶原蛋白的系统，该系统可以单独地控制硬度和黏弹性。

分析学界已有的肿瘤单细胞测序结果之后他们发现，来自肿瘤、健康组织、以及血管里的 T 细胞的基因表达有着很大不同。基于此，他们猜测此次所观察到的基因表达变化，有一部分可能是肿瘤力学特性所导致的。

如前所述，肿瘤在发展过程中其硬度和黏弹性会同时改变，这时要想进行分离变量，使用体内临床组织或动物模型根本行不通，所以只能自行设计体外细胞骨架模型。

于是，他们设计了一个基于 I 型胶原蛋白的体外细胞骨架模型。具体设计过程如下：先让 I 类胶原蛋白自行交联，在形成胶原纤维之后，通过扩散的方式加入小分子交联剂，并运用点击化学的方式，在已经成型的胶原蛋白凝胶中再次进行局部交联。

这样一来，就可以在不改变胶原蛋白凝胶硬度的情况下，通过改变小分子交联剂的浓度来改变凝胶的弹性，从而分别研究两个变量对于 T 细胞的影响。运用这个模型，该团队发现当 T 细胞被暴露在更具弹性的环境之中，它们的表型和基因表达，都偏向更容易被激活的作用型 T 细胞。

而当 T 细胞被暴露在更具黏性的环境之中时，它们更偏向于成为记忆型 T 细胞。同时，相比黏性更好的细胞骨架，弹性更好的细胞骨架更容易给细胞留下印记，并且这种印记是长期的。

随后，他们发现细胞骨架的力学特性，是通过一个名为 AP-1 的转录因子作用于 T 细胞的。

同时，这种细胞骨架的生物力学特性，对于 T 细胞的影响不仅存在于实体肿瘤，也存在于各种常见的纤维化疾病例如特发性肺纤维化病之中。原因在于，纤维化疾病一般伴有大量胶原蛋白的合成和交联，这一点和实体肿瘤也很相似。

接着，针对细胞骨架力学特性对于 T 细胞功能的影响，课题组也进行了研究。期间，他们把 CAR-T 细胞放在拥有不同力学特性的细胞骨架中，将其提取出来之后，再来观察它们对于肿瘤细胞的杀伤能力。

（来源：Nature Biomedical Engineering）

就这项研究的意义来说：

其一，目前针对细胞和分子生物学的研究，大多使用体外细胞培养和小鼠模型的方式。但是，体外细胞培养的环境和体内实际环境相差太大，很难具备生理学意义。

而小鼠模型和临床模型往往存在太多变量。尤其在研究细胞骨架的时候，根本无法区分所观察到的变化到底来自于哪一个变量。

通过构建一个体外的细胞骨架模型，就可以在人体各个组织的力学参数范围内，来研究某一特定的变量对于细胞表型和细胞功能的改变。

其二，大部分关于细胞骨架的生物力学特性的研究，都是针对类似于肿瘤细胞这种粘着细胞。针对免疫细胞的研究很少，因为免疫细胞大多是悬浮细胞，其存在于血管中，很少和细胞骨架接触。

但是，要想让免疫细胞在患处产生作用，就必须浸润到组织之中，这时组织的力学特性就会对它们产生影响。

而该团队首次在特异性免疫细胞中，将多种力学参数分离开，进而来研究这些参数对于免疫细胞的影响。

其三，近年来人们发现 CAR-T 细胞疗法的抗癌功效和 CAR-T 的表型非常相关。不同表型的 CAR-T 细胞抗癌功效差异很大。

（来源：Nature Biomedical Engineering）

而在本次研究中，刘禹彤等人证实了力学信号对于 T 细胞表型和功能的影响，从而为生产 CAR-T 提供了一种新思路，即通过控制 CAR-T 细胞所接收到的力学信号，可以改变 CAR-T 细胞的抗癌功效。

最终，相关论文以《通过改变细胞外基质的粘弹性来产生功能不同的 T 细胞群》（）为题发在 Nature Biomedical Engineering（IF 28.1）。

哈佛大学博士卡西·阿杜·贝奇（Kwasi Adu-Berchie）和刘禹彤是共同一作，哈佛大学教授大卫·穆尼（）担任通讯作者 [1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Biomedical Engineering）

接下来，他们会继续使用基于一类胶原蛋白的细胞骨架模型去研究其他问题，包括研究更加细分的 T 细胞，以及研究其他类型的免疫细胞和成纤维细胞。

据介绍，刘禹彤来自辽宁沈阳。高中毕业之后，她前往美国加州大学伯克利分校读本科，主修生物工程、辅修化学专业。

大二时，她开始正式接触科研。当时，她加入了加州大学伯克利分校伊琳娜·康博伊（）教授的实验室。 是衰老领域的先锋人物，也是第一个用异时联体共生（将一个“老老鼠”和“小老鼠”连在一起）进行衰老研究的学者。

在 实验室里，刘禹彤主要研究不同的小分子药物对于衰老和组织修复的影响，并探索将这些药物用于恢复组织再生能力的可行性。

大二暑假，在美国驻瑞士大使馆的 ThinkSwiss program 的资助之下，她前往瑞士洛桑联邦理工大学进行暑期科研，期间主要研究衰老方向的端粒融合。

大三暑假，刘禹彤参加美国冷泉港实验室的暑期科研项目，期间开始接触前列腺癌相关的研究。

其表示：“后来我在 2017 年末从 UC Berkeley 以最高荣誉毕业。2018 年，我前往哈佛大学攻读博士学位，我的论文课题主要关注于 CAR-T 细胞的生产，即通过改变现有的 CAR-T 生产流程，来让 CAR-T 对肿瘤尤其是对实体肿瘤能够更加有效。”

（来源：Nature Biomedical Engineering）

目前，科研圈男女比例依然失衡，面对科研有些女生不免心生恐惧。对此，刘禹彤表示：“一是要告诉自己并不比别人差，目前没有任何研究表明女生在数理化和科研上没有男生学得好，我周围从事科研的女性学者都很聪明、很专注、很有想法，因此要相信别人能做到的我也可以。二是要找到能给自己提供支持和指导的 support system，遇到困难时有人能提供情感/学术上的帮助非常重要。三是如果真的是自己想尝试的事情，那就一定要拼尽全力，就算没有如愿至少也不后悔。”