T细胞就像免疫系统的特殊作用力，检测和杀死受感染的细胞。当检测到新的威胁时，细胞从几个哨兵细胞升级到一个完整的排。但是，当T细胞的起始群体变化时，免疫系统如何产生适量的T细胞?
现在普林斯顿的一个团队使用数学建模提供了对这个问题的见解。研究小组发现，T细胞如何扩张的最重要因素是感染因子的起始量和细胞对该药物的亲和力。该研究有助于优化疫苗策略，该研究于上周在线发表在“美国国家科学院院刊”上。
在另一个团队最近的一项研究(Quiel等人)发现这种增长遵循可预测的模式之后，普林斯顿团队对这个问题很感兴趣：如果T细胞的初始数量很小，那么增长幅度很大，但如果T细胞的起始数量很大，则上升幅度很小。该关系遵循数学“幂律”，其表明T细胞扩增的量与T细胞的初始数量的幂相反。
“这种观察到的关系的重要性在于，即使免疫系统非常复杂并且具有各种反馈机制，你也会看到一种规律性，这意味着可能存在某种简单的潜在机制，”Ned说。 Wingreen，Howard A.生命科学先前教授，分子生物学教授和Lewis-Sigler综合基因组学研究所，以及该研究的资深作者。“无论你是从50或50,000个细胞开始，控制它们扩增的过程都是一样的。”
这种关系的结果是，无论是否开始使用的T细胞很少或很多，准备抵抗感染的最终数量既不太大也不太小。这对于抵抗感染的有机体是有意义的，但是普林斯顿小组想知道免疫系统中发生了什么，以使这种选择性提升成为可能。
第一作者是普林斯顿Lewis-Sigler综合基因组学研究所副研究员Andreas Mayer，该团队使用数学模型研究了T细胞在感染发生时的反应。
T细胞点缀有能够在感染细胞表面上检测感染因子(称为抗原)的受体。当T细胞受体粘附在这些细胞表面的抗原上时，刺激T细胞克隆自身以形成抗感染的军队。
在新感染的早期，抗原呈递细胞在其表面显示出大量抗原，但随着时间的推移，这种表现逐渐减弱，特别是如果免疫系统成功地进行了感染。
研究小组发现，这些抗原水平的降低提供了一种简单的机制，可以解释幂律关系。
这个想法是T细胞以其最大速率扩增，直到抗原数量减少意味着T细胞不再能够找到抗原。
“如果你开始使用较少数量的T细胞，你可以进行更长时间的扩增，直到达到降低的抗原水平，”Mayer说。“但如果你开始使用更多的T细胞，那么相对较快的抗原就会耗尽。”无法找到抗原的T细胞最终会停止分裂。
Wingreen说，这种关系具有进化意义，因为当感染消失时，T细胞就会停止扩张，从而使免疫系统变得过度活跃。
研究小组还研究了T细胞和抗原呈递细胞之间关系的另一个方面：两者相互作用的强度。他们的模型预测强烈粘附于抗原的细胞会增殖更长时间：对抗原的亲和力越高，最终细胞数量越大。研究人员能够通过重新分析另一项先前发表的研究(Zehn等人)的数据来检查这一预测。
“我们特别兴奋的是，我们的模型可以解释T细胞扩张的多种现象学规律，”Mayer说。“当我们开始时，我们没有想到这么简单的机制来解释这么多不同的观察结果。”
Wingreen说，这些关系为疫苗开发人员提供了经验教训。疫苗涉及使用抗原刺激免疫系统细胞的产生。数学模型可以帮助研究人员确定需要多少抗原来实现最佳免疫反应。
Andreas Mayer，普林斯顿理论科学中心物理学研究学者，洛斯阿拉莫斯国家实验室的Alan S. Perelson和Ned S.的研究“抗原呈递动力学对T细胞扩增的调节”。 Wingreen于2019年3月8日在线发表在“美国国家科学院院刊”上。
这项工作得到了美国国家科学基金会通过普林斯顿生物功能物理中心，国立卫生研究院，戈登和贝蒂摩尔基金会以及美国能源部的支持。