在免疫學領域，B細胞的研究正經歷著一場革新。 B細胞不僅在抗體產生中扮演關鍵角色，而且在塑造免疫反應和記憶形成中也至關重要。 特別是在患者中，B細胞功能的失調導致了感染風險的增加和疫苗效力的降低，這強調了深入理解B細胞反應機制的重要性。 隨著生物材料和組織工程技術的進步，研究人員現在能夠利用合成水凝膠等材料模擬淋巴組織的微環境，為B細胞的研究提供了新的體外模型。 這些模型不僅能夠維持長期的生髮中心反應，還能夠測試B細胞對各種刺激的反應，包括疫苗接種和病原體攻擊。
這些技術的發展，使得研究人員能夠更精確地控制和觀察B細胞在模擬的生理條件下的行為，從而揭示了細胞外基質、組織剛度和化學因子梯度等微環境因素對B細胞功能的影響。此外，透過整合免疫微環境的多個方面，這些模型為研究B細胞在健康和疾病狀態下的複雜動態提供了獨特的視角。
PEG水凝膠因其出色的生物相容性和模擬細胞外基質的能力，在模擬淋巴組織的微環境研究中顯示出顯著優勢。它們能夠透過調整組成和結構來定製物理化學特性和生物功能，以最佳化幹細胞的培養環境，並且具有多種凝膠化方式，為微粒的製備提供了靈活性。此外，PEG水凝膠能夠促進細胞間及細胞-基質間的相互作用，這對於幹細胞的增殖、分化和組織形成至關重要。它們還展現出優異的生物活性和營養有效性，有助於幹細胞的長期存活和功能維持。微流控技術的應用使得PEG水凝膠微粒的大規模定製化生產成為可能，這對於幹細胞治療的臨床應用和商業化具有重要意義。PEG水凝膠的快速溫和凝膠化條件和高耐疲勞性使其適合於生物相關動態環境下的應用，而其微觀相分離結構則透過光偶聯反應建立牢固介面，保證了結構的完整性。這些特性使得PEG水凝膠成為研究淋巴組織微環境和開發新治療策略的理想材料。
在本研究中，來自喬治亞理工學院Ankur Singh研究團隊利用四臂聚乙二醇大分子（PEG-4MAL）和模仿血管細胞粘附蛋白-1（VCAM-1）的REDV肽段，構建了具有特定機械效能的。利用水凝膠模擬淋巴組織環境，成功培養出具有功能性的人類扁桃體衍生淋巴類器官，並分析了這些類器官中B細胞的活性和表型變化。相關內容以“Human immune organoids to decode B cell response in healthy donors and patients with lymphoma”為題發表在《 Nature Materials》中。
【主要內容】
圖1 生物工程水凝膠扁桃體衍生淋巴類器官
上圖展示了基於生物工程合成水凝膠的扁桃體衍生淋巴類器官的研究，包括人類扁桃體組織的迴圈免疫熒光影象、扁桃體組織的硬度測量、不同重量百分比PEG-4MAL水凝膠的機械特性、扁桃體類器官的工作流程、以及在不同條件下培養的扁桃體單核細胞的B細胞活性和表型變化。這些結果突出了水凝膠微環境對B細胞存活、增殖和分化的影響，以及在模擬體內B細胞反應方面的重要性。
圖2 PBMC衍生水凝膠的類器官捕獲供體變異性和輔助應答
透過一系列實驗結果，展示了利用PEG-4MAL基水凝膠培養的PBMC衍生淋巴類器官能夠有效模擬人體對H1N1疫苗及佐劑R848的免疫反應。實驗資料顯示，這些類器官能夠捕捉到不同供體間的免疫反應差異，並在加入R848後顯示出增強的GC B細胞、ASC和漿細胞的生成。此外，透過ELISpot實驗和IgG反應性分析，證實了類器官對流感病毒的特異性反應。流式細胞術分析進一步確認了H1N1特異性GC B細胞和漿細胞的增強。
圖3 人類類淋巴器官的轉錄組學，BCR，克隆性和SHM變化
透過轉錄組學、B細胞受體(BCR)測序、克隆分析和體細胞高頻突變(SHM)分析，揭示了人類淋巴類器官中B細胞和漿細胞的成熟過程。RNA測序分析顯示了不同時間點CD138 + B細胞的差異表達基因集，單細胞RNA測序和UMAP投影揭示了B細胞隨時間的基因表達多樣性，BCR測序顯示了免疫球蛋白類別轉換和克隆擴增，而SHM分析則提供了關於ASC成熟的重要資訊，表明類器官衍生的ASC和漿細胞隨時間顯示出增加的SHM數量，並在更成熟的細胞中積累，與骨髓中ASC的報告一致。此外，疫苗調節了GC區域的區域性，透過CXCL12和CXCR4的表達變化，展示了GC中暗區和光區B細胞的動態重組。
圖4 同時抑制胃癌B細胞中EZH2和BCL6可增強漿細胞生成
透過抑制特定蛋白質EZH2和BCL6，可以增強GC B細胞向漿細胞的分化，從而增加抗體分泌細胞（ASCs）和漿細胞的數量。研究發現，在H1N1病毒和R848聯合刺激下，PBMC衍生的類器官中EZH2和BCL6的表達增加，透過抑制這兩種蛋白，可以顯著減少GC B細胞的數量，同時增加CD19loCD138 +漿細胞的數量，並提高抗原特異性IgG的分泌。此外，抑制EZH2和BCL6還導致暗區和光區GC B細胞的分佈發生變化，表明抑制這些檢查點分子可以加速GC反應向漿細胞表型的分化。
圖5 抗CD20免疫治療可降低淋巴瘤患者重組B細胞的GC形成能力
利用PBMC衍生的類器官預測癌症患者對疫苗的免疫反應。研究發現，與健康捐贈者相比，經過化療免疫療法治療的淋巴瘤患者（DLBCL）的PBMC類器官在對Fluzone流感疫苗的反應上表現出明顯的減弱。具體來說，健康捐贈者的PBMC類器官在接種Fluzone疫苗後能夠產生強烈的GC B細胞反應，而DLBCL患者的PBMC類器官則顯示出較少的GC B細胞和漿細胞。此外，Fluzone疫苗聯合R848佐劑能夠增強健康捐贈者PBMC類器官中GC B細胞、ASC、漿細胞和記憶B細胞的分化。這些結果揭示了PBMC類器官在模擬和預測人體對疫苗接種的免疫反應中的潛力，尤其是在評估癌症患者對疫苗反應的個體差異方面。
圖6 在晶片上的器官中具有可轉換梯度的淋巴細胞包裹組織
淋巴器官晶片技術的應用透過模擬體內環境，研究了CXCL12趨化因子梯度對B細胞分化和免疫反應的影響。研究發現，在微流體晶片中，CXCL12的梯度分佈能夠調控B細胞的極化，形成類似體內GCs的暗區和光區結構。這種器官晶片模型不僅增強了IgG1抗體的產生，還影響了多種細胞因子的分泌，包括IL-6、IL-12p70、TNF-α、IFNγ等，揭示了CXCL12在B細胞啟用和分化中的重要作用。此外，該模型還發現，經過化療的淋巴瘤患者（DLBCL）的B細胞失去了形成這些必要區域的能力，這可能影響了他們的體液免疫反應。這些發現為研究B細胞反應和疫苗設計提供了新的視角，並可能對癌症倖存者的免疫健康產生重要影響。
【全文總結】
本文介紹了一種創新的人類免疫器官類器官技術，透過模擬淋巴組織微環境，利用合成水凝膠支援B細胞的長期存活和分化，從而在體外成功模擬了B細胞反應和漿細胞形成。研究發現，這些類器官能夠維持GC B細胞和漿細胞，展現出獨特的B細胞程式設計特性，包括GC區域的形成、體細胞高頻突變、免疫球蛋白類別轉換和B細胞克隆。透過化學抑制轉錄和表觀遺傳過程，增強了漿細胞的形成，而整合CXCL12蛋白的淋巴器官晶片能夠調節健康捐贈者B細胞的GC反應，但在淋巴瘤患者的B細胞中未能成功。此外，該系統還揭示了疫苗佐劑R848對增強B細胞反應的重要性，以及透過抑制EZH2和BCL6來促進GC B細胞向漿細胞分化的潛力。最後，研究還利用淋巴器官晶片模擬了GCs的暗區和光區結構，為研究B細胞反應和疫苗設計提供了新的平臺，並對理解癌症治療後B細胞功能恢復的機制提供了見解。
https://www.nature.com/articles/s41563-024-02037-1
來源：高分子科學前沿
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