Optimizing Dendritic Cell Responses to Glycans - Nathan Hotaling, Georgia Tech

Giới thiệu luận văn Hotaling version 1.00. Tài liệu học thuật này phân tích và trình bày các luận điểm chính của nghiên cứu một cách hệ thống và chi tiết.

• Tác giả: Nathan Alexander Hotaling
• Người hướng dẫn: Dr. Julia Babensee
• Trường học: Georgia Institute of Technology
• Chuyên ngành: Kỹ thuật sinh học
• Đề tài: Làm rõ và tối ưu hóa các yếu tố phân tử đối với phản ứng của tế bào dendritic với các glycan trình bày trên bề mặt
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2013

Tóm tắt

I. Tổng quan về luận văn Hotaling và phản ứng tế bào dendritic

Luận văn tiến sĩ của Nathan Alexander Hotaling tại Georgia Institute of Technology năm 2013 tập trung vào việc làm rõ và tối ưu hóa các yếu tố phân tử ảnh hưởng đến phản ứng của tế bào dendritic với glycan trình diện trên bề mặt. Nghiên cứu này thuộc lĩnh vực kỹ thuật y sinh, kết hợp giữa miễn dịch học và kỹ thuật sinh học. Tế bào dendritic đóng vai trò trung gian quan trọng trong hệ miễn dịch, có khả năng nhận diện kháng nguyên và kích hoạt phản ứng miễn dịch. Glycan là các phân tử đường phức tạp xuất hiện trên bề mặt tế bào, tham gia vào quá trình nhận diện tín hiệu miễn dịch. Công trình nghiên cứu khám phá cách tế bào dendritic tương tác với các glycan được trình diện trên các bề mặt khác nhau, từ đó tối ưu hóa khả năng kích hoạt miễn dịch. Nghiên cứu được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Babensee và nhận được sự đánh giá cao từ hội đồng chuyên môn gồm các chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực kỹ thuật y sinh và miễn dịch học.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu tế bào dendritic và glycan

Tế bào dendritic là tế bào trình diện kháng nguyên chuyên nghiệp, đóng vai trò then chốt trong việc khởi phát phản ứng miễn dịch thích ứng. Glycan bao gồm các chuỗi carbohydrate phức tạp gắn trên bề mặt tế bào, tham gia vào quá trình nhận diện phân tử. Hệ thống lectin dạng C trên tế bào dendritic, đặc biệt là DC-SIGN và Dectin-1, có khả năng nhận diện các cấu trúc glycan cụ thể. Nghiên cứu của Hotaling tập trung vào việc hiểu rõ cơ chế nhận diện này và cách tối ưu hóa nó cho ứng dụng miễn dịch học.

1.2. Mục tiêu và phạm vi luận văn Hotaling

Luận văn đặt ra hai mục tiêu chính: làm rõ các yếu tố phân tử ảnh hưởng đến phản ứng tế bào dendritic và tối ưu hóa trình diện glycan trên bề mặt. Nghiên cứu khám phá cách mật độ glycan, tính chất bề mặt mang, và phương thức trình diện ảnh hưởng đến kiểu hình tế bào dendritic. Phạm vi bao gồm các thí nghiệm với monosaccharide mannose và glucose, sử dụng glycoconjugate có mật độ cao trên các vật liệu mang khác nhau. Kết quả hướng đến ứng dụng trong phát triển vaccine và liệu pháp miễn dịch.

II. Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng tế bào dendritic

Nghiên cứu phân tích nhiều yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng của tế bào dendritic với glycan trình diện trên bề mặt. Yếu tố đầu tiên là mật độ glycan trên vật liệu mang. Nghiên cứu phát hiện rằng mật độ cao hơn 20 đường trên mỗi phân tử BSA tạo ra phản ứng mạnh hơn từ tế bào dendritic. Yếu tố thứ hai là tính chất điện tích của vật liệu mang. BSA có điểm đẳng điện trên 9,75 cho hiệu quả trình diện tốt hơn. Phương thức trình diện cũng đóng vai trò quan trọng. Glycan adsorbed trên bề mặt không thể thực bào tạo ra phản ứng mạnh nhất so với dạng hòa tan hoặc gắn trên hạt polystyrene. Kích thước hạt cũng ảnh hưởng đến mức độ kích hoạt tế bào. Hạt 1 µm và 50 µm cho kết quả khác nhau về kiểu hình tế bào dendritic. Nghiên cứu sử dụng enzyme linked lectin assay để đánh giá sự gắn kết giữa glycan và thụ thể, phát hiện DC-SIGN gắn mạnh với mannose conjugate trong khi glucose không được Dectin-1 nhận diện ở mức đáng kể.

2.1. Tác động của mật độ glycan lên kiểu hình tế bào dendritic

Mật độ glycan trình diện trên bề mặt vật liệu mang có ảnh hưởng quyết định đến phản ứng tế bào dendritic. Nghiên cứu cho thấy khi mật độ mannose trên BSA vượt ngưỡng 20 đường trên mỗi phân tử protein, mức độ điều hòa kiểu hình tế bào dendritic tăng đáng kể. Hiệu ứng này tương đương với các cấu trúc glycan phức tạp hơn. Điều này gợi ý rằng tế bào dendritic phản ứng chủ yếu với mật độ trình diện hơn là độ phức tạp của cấu trúc glycan. Phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế hệ thống vaccine.

2.2. Vai trò của thụ thể DC SIGN và Dectin 1 trong nhận diện glycan

Thụ thể DC-SIGN thuộc họ lectin dạng C đóng vai trò chính trong nhận diện mannose trên bề mặt tế bào dendritic. Nghiên cứu sử dụng enzyme linked lectin assay với lectin tái tổ hợp người cho thấy DC-SIGN gắn mannose conjugate với ái lực cao. Trong khi đó, Dectin-1 không nhận diện glucose ở mức cao hơn nhóm đối chứng âm tính. Sự khác biệt này giải thích tại sao mannose tạo phản ứng miễn dịch mạnh hơn glucose. Hiểu rõ vai trò từng thụ thể giúp tối ưu hóa thiết kế glycoconjugate cho ứng dụng miễn dịch liệu pháp.

III. Phương pháp tối ưu hóa trình diện glycan trên bề mặt

Phương pháp tối ưu hóa trình diện glycan trong nghiên cứu Hotaling bao gồm nhiều chiến lược tiếp cận. Chiến lược thứ nhất là tối ưu hóa glycoconjugate bằng cách sử dụng BSA có tính chất cationic cao với điểm đẳng điện trên 9,75. Điều này tăng cường sự tương tác tĩnh điện giữa glycoconjugate và bề mặt tế bào mang điện tích âm. Mật độ glycan được điều chỉnh thông qua kiểm soát tỷ lệ liên kết đường trên protein mang. Chiến lược thứ hai là lựa chọn phương thức trình diện phù hợp. Ba phương thức được so sánh gồm: trình diện trên bề mặt không thể thực bào, dạng hòa tan ở nhiều nồng độ, và trình diện trên hạt polystyrene kích thước 1 µm và 50 µm. Mỗi phương thức tạo ra kiểu hình tế bào dendritic khác nhau. Kết quả cho thấy glycan adsorbed trên bề mặt không thể thực bào kích hoạt tế bào dendritic mạnh nhất. Chỉ sử dụng đơn đường mannose với mật độ cao trên BSA cationic đủ để điều hòa kiểu hình tế bào tương đương glycan phức tạp hơn.

3.1. Thiết kế glycoconjugate với BSA cationic mật độ cao

Thiết kế glycoconjugate tối ưu sử dụng BSA cationic có điểm đẳng điện lớn hơn 9,75 làm protein mang. Mật độ mannose được điều chỉnh đạt trên 20 đường trên mỗi phân tử BSA. Phương pháp liên kết hóa học kiểm soát chính xác tỷ lệ glycan gắn trên protein. BSA cationic tăng cường tương tác với bề mặt tế bào dendritic mang điện tích âm, cải thiện hiệu quả trình diện. Thiết kế này cho phép mô phỏng hiệu ứng của glycan phức tạp chỉ bằng monosaccharide đơn giản, giảm chi phí sản xuất trong ứng dụng thực tế.

3.2. So sánh các phương thức trình diện glycan khác nhau

Nghiên cứu so sánh ba phương thức trình diện glycan: trên bề mặt rắn không thể thực bào, dạng hòa tan, và trên hạt polystyrene. Phương thức bề mặt rắn tạo phản ứng mạnh nhất từ tế bào dendritic. Dạng hòa tan cho phản ứng phụ thuộc nồng độ, với ngưỡng đáp ứng rõ ràng. Hạt polystyrene 1 µm và 50 µm cho kết quả khác nhau do khả năng thực bào và diện tích bề mặt khác biệt. Kết quả này cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn hệ thống mang phù hợp trong phát triển liệu pháp miễn dịch và vaccine.

IV. Kết luận và ứng dụng nghiên cứu glycan tế bào dendritic

Nghiên cứu của Hotaling đưa ra nhiều kết luận quan trọng về tương tác glycan-tế bào dendritic. Kết luận đầu tiên là mật độ trình diện glycan quan trọng hơn độ phức tạp cấu trúc trong việc kích hoạt tế bào dendritic. Đơn đường mannose với mật độ cao trên BSA cationic đủ để tạo phản ứng miễn dịch tương đương glycan phức tạp. Kết luận thứ hai là phương thức trình diện bề mặt không thể thực bào cho hiệu quả cao nhất. DC-SIGN là thụ thể chính nhận diện mannose trên tế bào dendritic.Ứng dụng của nghiên cứu mở rộng đến nhiều lĩnh vực. Trong phát triển vaccine, kết quả cho phép thiết kế hệ thống kháng nguyên hiệu quả với chi phí thấp hơn. Trong liệu pháp miễn dịch, hiểu biết về trình diện glycan giúp điều chỉnh phản ứng miễn dịch theo hướng mong muốn. Nghiên cứu cũng đóng góp vào nền tảng kiến thức về tương tác carbohydrate-protein trong miễn dịch học, mở đường cho các nghiên cứu tiếp theo về vai trò của glycan trong bệnh lý và điều trị.

4.1. Ứng dụng trong phát triển vaccine thế hệ mới

Kết quả nghiên cứu có ứng dụng trực tiếp trong thiết kế vaccine thế hệ mới. Sử dụng đơn đường mannose thay vì glycan phức tạp giúp giảm chi phí sản xuất đáng kể. Hệ thống trình diện trên bề mặt rắn có thể được tích hợp vào các vật liệu mang vaccine như hạt nano hoặc scaffold. Mật độ glycan cao trên BSA cationic đảm bảo kích hoạt mạnh tế bào dendritic, dẫn đến phản ứng miễn dịch đặc hiệu kháng nguyên mạnh hơn. Phương pháp này đặc biệt hữu ích cho vaccine tiểu đơn vị và vaccine dựa trên kháng nguyên tái tổ hợp.

4.2. Hướng nghiên cứu tương lai về glycan và miễn dịch

Nghiên cứu mở ra nhiều hướng phát triển mới trong lĩnh vực glycan và miễn dịch học. Các nghiên cứu tương lai có thể mở rộng sang khám phá vai trò của sialoglycan và họ thụ thể Siglec trong điều hòa miễn dịch. Siglec chứa motif ITIM có chức năng ức chế miễn dịch, khi gắn ligand sẽ kích hoạt phosphatase SHP-1 hoặc SHP-2 để điều hòa tín hiệu. Hiểu biết sâu hơn về tương tác glycan-Siglec có thể dẫn đến phát triển liệu pháp ức chế miễn dịch cho bệnh tự miễn hoặc cải thiện chiến lược trốn tránh miễn dịch của mầm bệnh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ELUCIDATION AND OPTIMIZATION OF MOLECULAR FACTORS FOR DENDRITIC CELL RESPONSES TO SURFACE PRESENTED GLYCANS A Dissertation Presented to The Academic Faculty by Nathan Alexander Hotaling In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree Doctor of Philosophy in Bioengineering From the Department of Biomedical Engineering Georgia Institute of Technology AUGUST 2013 Copyright © 2013 By Nathan Hotaling ELUCIDATION AND OPTIMIZATION OF MOLECULAR FACTORS FOR DENDRITIC CELL RESPONSES TO SURFACE PRESENTED GLYCANS Approved by: Dr. Babensee, Advisor Dr. Garcia School of Biomedical Engineering School of Mechanical Engineering Georgia Institute of Technology Georgia Institute of Technology Dr. Ratner Department of Biochemistry Department of Bioengineering Emory University University of Washington Dr. Thomas Barker Dr. Kauh, MD School of Biomedical Engineering Department of Hematology and Georgia Institute of Technology Medical Oncology Emory University Date Approved: May 20th, 2013 To my friends and family; whose belief and support made all of this possible. ACKNOWLEDGEMENTS I would like to acknowledge my Mother and Father, Helene and Gene Hotaling, for their constant love, support, and encouragement over the years and the role it has played in shaping who I am today. I have always known that whatever decisions I make my parents cared most for my happiness and so as long as I followed my passion they would support me. I have always been able to rely on their love which has formed the foundation from which I have been able to stand and overcome all the trials in my life. Their love of educating has instilled in me a deep respect for education which led me to attain its highest degree. Additionally, both of my parents inspired me to choose a career path that I loved and was passionate about via leading by example. Both of my parents have chosen careers not based on money or convenience but by what they loved, respected, and enjoyed. This example has been invaluable to me as I have looked at what I would like to do with my life. Nothing that I have accomplished could have been done without them and I am grateful for everything they have done for me. I would also like to acknowledge the influence, support, and inspiration that I have received from the rest of my family including my grandparents, sisters, and nieces and nephews. My grandfather, Alan Hotaling, came from a line of machinists and was the first in our family to become a mechanical engineer. Throughout my childhood his stories about what he did, where he traveled and how he did the things he’d done inspired me to become an engineer. His and my grandmother’s, Louise Hotaling, love and support over the years helped prepare me for my future and made me into the man I am today. My sisters, Lauren Ortiz and Thea Hotaling, deserve acknowledgement for never letting me take myself too seriously and for always keeping me humble. Their light- iv hearted harassment helped me stay rooted in what matters and the unquestionable love of their little brother has served as a model for all of my friendships. Also, I would like to acknowledge my nephew and niece Ashton and Coralei Deriso for reminding me of the importance of wonder and seeing the world through new eyes. I would like to thank and acknowledge Doctor Julia Babensee for her continued support, mentorship and advice. I would have never of been as successful or as sure of myself, and where I want to go in my life, if it was not for her consistent and exemplary example. My project took many turns and she stayed with me every step of the way and continued to offer me support and encouragement even when I had given up myself. I had many side projects during my PhD and took many detours along the road to its completion and Julie’s patience with me was almost limitless. Her allowing me to find my own way and explore every avenue I wanted was unprecedented and I am so grateful to of had her as my advisor. I would also like to acknowledge my committee members, Drs Daniel Ratner, Andres Garcia, Richard Cummings, Thomas Barker, and John Kauh for their mentorship, advice, and help over the years. My project sprang from a fortitous donation of reagents by Dr. Ratner and thus my PhD project would literally of never of happened if it wasn’t for him. I would like to acknowledge Drs Garcia and Cummings for their ability to always get me to think more deeply about not just my project but my life and where it was headed and for giving what seemed to be just the right advice at just the right time consistently throughout my PhD. Finally, I’d like to acknowledge Drs Barker and Kauh for their ability to make me see the bigger picture of my project and helping me to see beyond the scope of my project. v I believe that no one can accomplish anything of significance without being taught by teachers of significance. To that end five teachers have been instrumental in how I view the world, the choices I have made, and the fields I have chosen. First, was an elementary school teacher, Ms. Atkinson, who was the first teacher to make me believe that I could accomplish anything I wanted with my life. Her unabashed belief in me led me to believe in myself and set me on the path to where I am today. Next, came my middle school gifted teacher, Ms. Her love of education, acceptance of different learning styles, and unconventional curriculum helped me to not only realize that learning can be fun but that I didn’t need to be embarrassed of my intelligence. Additionally, I would like to acknowledge two of my high school teachers Ms. Gwynn Pealer and Mr. Their love of education and science inspired me to get a minor in chemistry as an undergraduate and pursue a biomedical engineering doctorate degree. Without their passion for STEM, inspiring lectures, and excitement for education I would never have chosen to get the degrees in the fields that I have today. I cannot express the depth of impact they have had on the underlying career path I have taken in my life and how grateful I am for their passion in education. Finally, I would like to acknowledge Dr. Yongho Sohn from the University of Central Florida for seeing potential in me that others missed and giving me the opportunity to do research in his lab. He inspired me to go to graduate school and his guidance and mentorship are a model for how I would like to mentor students one day. His support is in large part the reason why I was able to get into graduate school and I cannot thank him enough for all of the opportunities that he provided me during my undergraduate carrier. vi A large part of my time at Georgia Tech has been devoted to TAing and teaching engineering design courses. I have loved that experience and have even gotten a publication from the experience. I would like to acknowledge Dr. Alexander Leonessa who was my mentor when I took capstone design and inspired me to love engineering design. Additionally, I would like to acknowledge Franklin Bost, James Rains, Mark McJunkin, Marty Jacobson, Dr. Barbara Fasse, and Dr. Wendy Newstetter from the design and education departments at Tech for their help, support, and expertise over my entire time at Georgia Tech. Finally, I would like to acknowledge Dr. Craig Forest for his friendship, advice, and assistance in design and publications. I would like to acknowledge my best and oldest friends: Colby Nealis, John Ketcham, Gary Licquia, Andy Oswald, Jane Smith, and Chrissy Garton. This group of people has been friends with me for well over half of my life and has accepted me for who I am every step along the way. Each deserves a paragraph and there are too many things that I love them for to be specific and maintain a reasonable page count for the acknowledgements. Each of these individuals has profoundly impacted my life and I would not be who I am today without them. Their unwavering friendship has been a large source of strength, comfort, and love over the years and there is no way I could have made it to this point without their love and faith in me. Too often their belief in me was what kept me going when I didn’t think I could complete the next step of my life. Their respect and acceptance of my eccentricities is limitless and I cannot fathom how they have put up with me for all of these years. I cannot imagine my life without them and I look forward to many years of memories to come. vii I have heard that the greatest friends you will make in your life are found when you are in college. While I cannot compare the magnitude of their friendship to those friends mentioned above I would like to acknowledge Kyle Hallenbeck, Daniel Simone, Nancy Beady, Keith Bartholomew, Susan Bartholomew, George Hatzistavridis, Jake Schellack, Julian Sanchez, Benjamin Overstreet, and Dani Cleveland for being some of the greatest friends imaginable. Kyle Hallenbeck for being one of the few people on the planet that I can talk with equal ease about non-linear flow and why pot stickers are called pot stickers when they don’t actually stick to pots, or are even cooked in pots. Daniel Simone for always being the friend I wish I could be. Nancy Beady for always providing a girls perspective while not judging me for being brutally honest and natural around her. Keith Bartholomew who taught me how to win any argument and to never approach a problem via its most obvious solution. Susan Bartholomew who cares for me and all of her friends more than she cares for herself and is the most giving person I have ever met. George Hatzistavridis for all the soccer, car talk, mechanical discussion, deep conversations on friends and life, and general understanding and acceptance of me and all of our friends. Jake Schellack who I could always count on to be a slacker with me but to have it together in every way that matters. Julian Sanchez for always calling me out when I needed it and for never being offended at jokes at his expense. Benjamin Overstreet for showing me that nice guys don’t finish last. And Dani Cleveland for breaking my table, general insanity, and most importantly for being happy and free with me when everyone else just couldn’t understand. Graduate school occurred over the majority of my 20s and the friends I have made there are undoubtedly ones that I will have for the rest of my life. I would like to viii acknowledge Jonathan Vernon, Lindsey Goodman, Rolando Gittens, Kimberly Portmess, Seth Gazes, Reggie Paxton, Sarah Marske, James Wade, Reyhaan Chaudhri, Douglas White, and Catherine Rivet for all that they have done with/for me during my time at Georgia Tech. Jonathan Vernon for being a kindred spirit in engineering, life, recreation, and they gym. Lindsey Goodman for accepting my friendship even when it wasn’t easy and I didn’t deserve it. Rolando Gittens for understanding what being on time actually means and for being one of the few people who I can actually completely relax around. Kimberly Portmess and the Portmess family for being some of the most incredible people I’ve ever met. Seth Gazes who taught me how to have a better work/life balance by example and whose sage advice has often been insightful and helpful. Reggie Paxton for her limitless patience with Seth and I and whose book taste is impeccable. Sarah Marske for loving and accepting me for who I am. James Wade who I met later in graduate school but whom I have deep respect for both academically and athletically. Reyhaan Chaudhri who completed the MSCR program with me and has been a great friend since.