Ludzkie płuca przechowują trwałą pamięć immunologiczną przeciw wielu patogenom

Ludzkie płuca zawierają rozbudowaną i długotrwale utrzymującą się populację tkankowych limfocytów T pamięci, zdolnych do reagowania na antygeny wirusów, bakterii i grzybów. W badaniu opublikowanym w „Nature Immunology” naukowcy przeanalizowali około 600 tys. limfocytów T z tkanki płucnej, a swoistość wobec patogenów określili dla ponad 87 tys. komórek. Wyniki wskazują, że odporność funkcjonująca bezpośrednio w płucach może znacząco różnić się od obrazu uzyskiwanego na podstawie rutynowych próbek krwi.

Miejscowa pamięć immunologiczna płuc

Płuca pozostają w stałym kontakcie ze środowiskiem zewnętrznym. Wraz z wdychanym powietrzem do dróg oddechowych przedostają się wirusy, bakterie, zarodniki grzybów, alergeny i inne cząstki biologiczne. Ochrona przed nimi zależy nie tylko od nabłonka, pneumocytów, makrofagów i innych elementów odporności wrodzonej, lecz również od komórek pamięci immunologicznej pozostających bezpośrednio w tkance płucnej.

Jedną z najważniejszych takich populacji są tkankowe limfocyty T pamięci, określane skrótem T_RM od angielskiej nazwy tissue-resident memory T cells. W odróżnieniu od limfocytów krążących we krwi komórki T_RM pozostają w określonym narządzie i są przystosowane do szybkiego reagowania w miejscu wcześniejszego kontaktu z antygenem^[1].

Dotychczas znaczna część wiedzy o limfocytach T_RM w płucach pochodziła z modeli mysich. W doświadczeniach na myszach populacje te po zakażeniu układu oddechowego często stosunkowo szybko się zmniejszają. Nie było jednak jasne, czy podobny mechanizm występuje u ludzi.

Zespół kierowany przez Pandurangana Vijayananda z La Jolla Institute for Immunology, we współpracy między innymi z Christianem H. Ottensmeierem i badaczami z University of Liverpool, przeprowadził wielkoskalową analizę ludzkich limfocytów T pochodzących bezpośrednio z płuc. Pierwszymi autorami pracy byli Vicente Fajardo-Rosas oraz Aquib Ehtram, którzy wnieśli równoważny wkład w realizację badania^[1].

Jak przeprowadzono badanie ludzkiej tkanki płucnej

Główna, przekrojowa kohorta obejmowała 40 osób poddawanych planowej resekcji chirurgicznej z powodu pierwotnego niedrobnokomórkowego raka płuca. Badani byli klinicznie wolni od niedawnych zakażeń i zostali uznani za wystarczająco sprawnych, aby przejść operację. Analizowano makroskopowo niezmieniony, niezawierający guza miąższ płucny, pobierany zazwyczaj co najmniej 5 cm od marginesu nowotworu^[1].

W kohorcie przekrojowej znalazło się 16 mężczyzn i 24 kobiety. Mediana wieku wynosiła 73 lata, a zakres wieku od 61 do 83 lat. Wszyscy uczestnicy zostali opisani przez autorów jako osoby pochodzenia białego brytyjskiego. Taka charakterystyka grupy umożliwiła analizę pamięci immunologicznej kształtowanej przez dziesięciolecia zakażeń, szczepień i kontaktów ze środowiskiem, ale jednocześnie ogranicza możliwość bezpośredniego przeniesienia wyników na młodsze i bardziej zróżnicowane populacje.

Od uczestników pobierano tkankę płucną oraz węzły chłonne drenujące operowany płat płuca. Węzły te obejmowały przede wszystkim węzły wnękowe i śródpiersiowe. U części osób dostępna była również krew obwodowa.

Analiza transkryptomu i receptorów limfocytów T

Badacze połączyli transkryptomikę pojedynczych komórek z analizą repertuaru receptorów limfocytów T, czyli TCR. Dla poszczególnych komórek określano pełne sekwencje sparowanych łańcuchów alfa i beta TCR, w tym regiony decydujące o swoistości rozpoznawania antygenu.

Łącznie uzyskano profile około 600 tys. pojedynczych limfocytów T wyizolowanych z płuc 40 osób oraz około 330 tys. limfocytów T z węzłów chłonnych drenujących płuca, dostępnych u większości uczestników. Na podstawie danych TCR naukowcy przypisali potencjalną swoistość wobec patogenów ponad 87 tys. komórek płucnych^[1].

Receptor TCR działał w tej analizie jak molekularny identyfikator klonu limfocytów T. Naukowcy porównywali sekwencje TCR obecne w płucach z trzema rodzajami zasobów: receptorami komórek reagujących na patogeny, wyizolowanych z krwi tych samych dawców, publicznie dostępnymi bazami receptorów CD8⁺ oraz nowo utworzonym zbiorem receptorów CD4⁺ swoistych wobec częstych patogenów.

Oznacza to, że swoistość dużej części komórek została ustalona metodą bioinformatycznej imputacji na podstawie sekwencji TCR. Nie wszystkie z ponad 87 tys. komórek poddano bezpośredniej próbie kontaktu z antygenem. Autorzy wykonali jednak dodatkowe doświadczenia funkcjonalne dla wybranych klonów CD4⁺ i CD8⁺, potwierdzając prawidłowość części przypisań.

Oligoklonalny repertuar limfocytów T w płucach

Analiza wykazała, że repertuar limfocytów T w ludzkich płucach był bardziej oligoklonalny niż repertuar komórek obecnych w węzłach chłonnych drenujących płuca. Oligoklonalność oznacza, że relatywnie niewielka liczba silnie rozbudowanych klonów stanowi znaczną część całej populacji komórek.

Dziesięć procent najliczniejszych klonotypów odpowiadało przeciętnie za około 51% limfocytów CD4⁺ oraz około 70% limfocytów CD8⁺ obecnych w płucach. U niektórych osób zaledwie dziesięć klonotypów dominowało w całym analizowanym repertuarze TCR^[1].

Wynik ten wskazuje, że w płucach dochodzi do selektywnego gromadzenia określonych klonów pamięci immunologicznej, prawdopodobnie związanych z wcześniejszą ekspozycją na antygeny. Jednocześnie podobieństwo repertuarów pomiędzy płucami a węzłami chłonnymi było niewielkie. Szczególnie silnie rozbudowane klony o fenotypie T_RM często występowały przede wszystkim w płucach i miały ograniczony udział w repertuarze komórek węzłowych.

Nie oznacza to jednak, że wszystkie limfocyty obecne w płucach są komórkami rezydującymi. Autorzy wykazali, że znaczna część płucnych limfocytów T należy do populacji krążących lub zdolnych do recyrkulacji. Dlatego samo pobranie komórek z tkanki płucnej nie wystarcza, aby zaklasyfikować je jako T_RM; konieczne jest uwzględnienie ich profilu transkrypcyjnego, fenotypu i repertuaru TCR.

Jakie patogeny rozpoznawały komórki obecne w płucach

U większości uczestników stwierdzono w płucach limfocyty CD4⁺ pamięci, którym przypisano swoistość wobec pięciu często występujących wirusów układu oddechowego:

• wirusa grypy typu A,
• SARS-CoV-2,
• wirusów paragrypy,
• syncytialnego wirusa oddechowego, czyli RSV,
• ludzkiego metapneumowirusa.

Częstość komórek CD4⁺ swoistych wobec poszczególnych wirusów była bardzo zróżnicowana pomiędzy dawcami. W zależności od osoby i patogenu wynosiła od około 0,1% do około 56% wszystkich płucnych limfocytów CD4⁺, przy medianie około 0,7%.

Porównywalne populacje komórek CD4⁺ rozpoznających antygeny cytomegalowirusa, czyli CMV, oraz wirusa Epsteina-Barr, czyli EBV, występowały z medianą częstości wynoszącą około 0,9% i zakresem od 0,1% do 21%.

Badacze zidentyfikowali także limfocyty CD4⁺ swoiste wobec antygenów bakterii Bordetella pertussis, wywołującej krztusiec. Oceniano oddzielnie reakcje na antygeny zawarte w bezkomórkowych szczepionkach przeciw krztuścowi oraz na immunodominujące epitopy niewchodzące w skład tych szczepionek. Komórki rozpoznające oba rodzaje antygenów były obecne w płucach, ale wyższe częstości obserwowano w przypadku antygenów szczepionkowych.

W repertuarze CD4⁺ znaleziono ponadto klonotypy swoiste wobec Aspergillus fumigatus. Jest to pospolity grzyb pleśniowy, którego zarodniki są regularnie wdychane z powietrzem. U większości osób nie prowadzi to do inwazyjnego zakażenia, jednak u pacjentów z ciężką immunosupresją A. fumigatus może powodować chorobę zagrażającą życiu. Grzyb ten ma również znaczenie w przewlekłych chorobach układu oddechowego i chorobach alergicznych.

Zakres analizy limfocytów CD8⁺ był węższy, ponieważ dostępne bazy receptorów TCR klasy I obejmowały głównie swoistości wobec CMV, EBV, SARS-CoV-2 i wirusa grypy typu A. Również wśród komórek CD8⁺ stwierdzono klony o cechach rezydowania w tkance płucnej oraz klony o bardziej krążącym fenotypie.

Badanie pokazało zatem, że odpowiedź wobec jednego patogenu nie musi składać się wyłącznie z jednego rodzaju komórek. U tej samej osoby SARS-CoV-2 lub wirus grypy mogły być rozpoznawane zarówno przez klony o profilu T_RM, jak i przez populacje niewykazujące wyraźnego profilu rezydowania w tkance.

Komórki utrzymujące się przez miesiące i lata

Najmocniejszego dowodu na długotrwałość ludzkich płucnych komórek T_RM dostarczyła oddzielna analiza podłużna. Objęła ona sześć osób, od których tkankę płucną można było pobrać podczas dwóch różnych operacji. Powodem kolejnego zabiegu była między innymi konieczność dokończenia leczenia chirurgicznego lub resekcja drugiego pierwotnego nowotworu płuca.

Odstęp między pobraniami wynosił od 7 do 304 tygodni, czyli od niespełna dwóch miesięcy do prawie sześciu lat. Mediana odstępu wynosiła 35 tygodni. W kolejnych próbkach pochodzących od tej samej osoby wykrywano wiele identycznych klonotypów TCR.

Mediana odsetka komórek posiadających klonotypy wspólne dla obu punktów czasowych wynosiła co najmniej 50% zarówno dla populacji CD4⁺ T_RM, jak i CD8⁺ T_RM. Szczególnie często utrzymywały się silnie rozbudowane klony. W dwóch opisanych przez autorów przypadkach w kolejnej próbce odnaleziono ponad połowę silnie rozbudowanych, swoistych wobec patogenów klonów T_RM obecnych przy pierwszym pobraniu^[1].

Analiza podłużna dostarczyła więc bezpośredniego dowodu, że określone klony T_RM mogą pozostawać w ludzkiej tkance płucnej przez wiele miesięcy, a nawet lat. Jest to ważna różnica w porównaniu z klasycznymi obserwacjami pochodzącymi z laboratoryjnych modeli mysich, w których płucne populacje T_RM mogą ulegać stosunkowo szybkiej redukcji.

Dlaczego człowiek i mysz mogą się różnić?

Autorzy wskazują kilka możliwych wyjaśnień, podkreślając jednak, że mają one charakter hipotez. Jednym z nich są różnice anatomiczne. Ludzkie płuca mają znacznie bardziej rozbudowane drzewo oskrzelowe i oskrzelikowe niż płuca myszy. Wcześniejsze badania wskazywały, że znaczna część ludzkich limfocytów CD8⁺ T_RM lokalizuje się właśnie w obrębie oskrzeli i oskrzelików, a nie w pęcherzykach odpowiadających za wymianę gazową.

Drugim możliwym czynnikiem jest odmienny zakres ekspozycji środowiskowej. Ludzie przez całe życie kontaktują się z bardzo zróżnicowanymi drobnoustrojami. Laboratoryjne myszy są natomiast często utrzymywane w warunkach wolnych od określonych patogenów, co może wpływać na rozwój i trwałość ich pamięci tkankowej.

Znaczenie dla badań nad szczepieniami

Wyniki mogą mieć znaczenie dla projektowania oraz oceniania szczepionek przeciw zakażeniom układu oddechowego. Odpowiedź poszczepienną najczęściej monitoruje się za pomocą próbek krwi, oceniając między innymi przeciwciała oraz krążące limfocyty T. Badanie pokazuje jednak, że klony dominujące w tkance płucnej mogą mieć jedynie ograniczone odpowiedniki w węzłach chłonnych i krążeniu.

Próbka krwi nie musi więc dokładnie odzwierciedlać liczebności, fenotypu ani trwałości komórek pamięci znajdujących się bezpośrednio w płucach. Nie oznacza to, że badania krwi są nieprzydatne, lecz że mogą przedstawiać tylko część odpowiedzi immunologicznej.

Autorzy sugerują, że przyszłe strategie szczepień mogłyby być projektowane tak, aby skuteczniej zwiększać liczbę i trwałość komórek T_RM w układzie oddechowym. Najnowsze badanie nie porównywało jednak dróg podawania szczepionek ani nie wykazało przewagi szczepień donosowych, wziewnych czy domięśniowych. Nie oceniano również skuteczności żadnego konkretnego preparatu.

Większość uczestników nie była niedawno szczepiona w chwili pobierania materiału. W badanej grupie nie wykazano istotnego związku częstości komórek T_RM z deklarowanym statusem szczepienia, wiekiem, płcią, wskaźnikiem masy ciała ani paleniem tytoniu. Autorzy zaznaczają jednak, że liczebność kohorty była niewystarczająca, aby wiarygodnie wykluczyć wpływ tych czynników.

Najważniejsze ograniczenia

Autorzy przyznają, że rozpoznanie raka płuca mogło wpływać na charakter odpowiedzi limfocytów T również w nieobjętym nowotworem miąższu. Przeprowadzona przez nich ponowna analiza wcześniej opublikowanych danych pochodzących od osób bez choroby nowotworowej dała jednak zgodne wyniki dotyczące właściwości płucnych komórek T.

Nie można także ilościowo opisać całkowitego zasobu komórek T_RM w całych płucach człowieka. Ze względów etycznych i technicznych badacze analizowali jedynie fragmenty resekowanej tkanki oraz wybrane węzły chłonne. Wyników nie należy więc interpretować jako kompletnego spisu wszystkich komórek odpornościowych obecnych w płucach.

Finansowanie i konflikty interesów

Badanie wsparto ze środków National Institutes of Health, w tym grantu U19AI118626 oraz grantów infrastrukturalnych S10OD025052, S10 RR027366 i S10 OD026929, a także William K. Bowes Jr Foundation. Pozyskiwanie próbek wspierały North West and South Central Research Delivery Networks oraz National Institute of Health Research, UK. Autorzy podali, że fundatorzy nie uczestniczyli w projektowaniu badania, gromadzeniu i analizie danych, decyzji o publikacji ani przygotowywaniu manuskryptu^[1].

Alessandro Sette zadeklarował działalność konsultacyjną dla AstraZeneca, Darwin Health, Desna Therapeutics, Geovax, Link Campus University, RiverVest Venture Partners i Wugen oraz posiadanie udziałów w Sanofi. Pandurangan Vijayanand wcześniej świadczył usługi konsultacyjne dla Merck i Eli Lilly. La Jolla Institute for Immunology zgłosił wnioski dotyczące ochrony patentowej różnych aspektów projektowania epitopów limfocytów T i szczepionek. Pozostali autorzy nie zadeklarowali konfliktów interesów^[1].

Wnioski

Badanie przedstawia jeden z najbardziej rozbudowanych dotychczas obrazów pamięci limfocytów T w ludzkich płucach. Pokazuje, że płuca nie są jedynie biernym narządem narażonym na kontakt z patogenami, ale mogą stanowić długoterminowy rezerwuar wyspecjalizowanych klonów limfocytów T.

Komórki te obejmują populacje swoiste wobec wirusów oddechowych, herpeswirusów, Bordetella pertussis i Aspergillus fumigatus. Część klonów utrzymywała się przez wiele miesięcy lub lat, zachowując profil typowy dla komórek rezydujących w tkance.

Wyniki nie dowodzą jeszcze, że większa liczba płucnych komórek T_RM bezpośrednio zapobiega zakażeniom lub ciężkiej chorobie. Tworzą jednak podstawę do bardziej precyzyjnego badania miejscowej odporności płuc oraz do projektowania przyszłych szczepionek, których skuteczność będzie oceniana nie tylko we krwi, ale również w miejscu pierwszego kontaktu z patogenem.

Źródło: Nature Immunology, Human lungs maintain tissue-resident memory T cells against a broad spectrum of pathogens.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41590-026-02592-6