علم المناعة

تم ابتكار أنواع عديدة من المصفوفات الدقيقة لمراقبة استجابة الجهاز المناعي وتفاعلاته على وجه التحديد. تستخدم مصفوفات الأجسام المضادة الأجسام المضادة كجسيمات كاشفة والمستضدات كأهداف. ويمكن استخدامها لقياس تركيزات المستضدات التي تتخصص بها جسيمات الأجسام المضادة بشكل مباشر. أما مصفوفات الببتيدات الدقيقة، فتستخدم ببتيدات المستضدات كجسيمات كاشفة والأجسام المضادة في المصل كأهداف. ويمكن استخدامها في تطبيقات علم المناعة الوظيفي لفهم أمراض المناعة الذاتية والحساسية، وتحديد محددات الخلايا البائية، ودراسات اللقاحات، واختبارات الكشف، وتحليل خصوصية الأجسام المضادة. وتُعد مصفوفات معقد التوافق النسيجي الرئيسي (MHC) أحدث التطورات في مجال مصفوفات علم المناعة، حيث تستخدم معقدات الببتيد-MHC وجزيئاتها المحفزة المساعدة كجسيمات كاشفة، ومجموعات الخلايا التائية كأهداف. يتم تنشيط الخلايا التائية المرتبطة بهذه المصفوفات، فتفرز السيتوكينات التي يتم التقاطها بواسطة أجسام مضادة كاشفة متخصصة. ويمكن لهذه المصفوفة الدقيقة رسم خرائط محددات الخلايا التائية المقيدة بمعقد التوافق النسيجي الرئيسي. ^{[ 7 ]}

شريحة لمفاوية

شريحة الليمف عبارة عن مصفوفة دقيقة متخصصة من الحمض النووي التكميلي البشري (cDNA)، غنية بالجينات المرتبطة بوظائف المناعة، وقد ابتكرها آش علي زاده في جامعة ستانفورد . تم استخلاص 17853 نسخة من الحمض النووي التكميلي من ثلاثة مصادر. تم اختيار المجموعة الأولى من النسخ بناءً على علامات التسلسل المعبر عنها (ESTs) الفريدة أو الغنية تحديدًا في مكتبات الحمض النووي التكميلي اللمفاوي؛ وتمثل هذه النسخ حوالي 80% من نسخ شريحة الليمف. تم تحديد المجموعة الثانية من النسخ خلال تحليل الجيل الأول من المصفوفات الدقيقة للاستجابات المناعية. أخيرًا، تم استخدام 3183 جينًا معروفًا أو يُشتبه في أن لها أدوارًا في وظائف المناعة، أو التسرطن ، أو موت الخلايا المبرمج ، أو تكاثر الخلايا، أو كونها إطارات قراءة مفتوحة من فيروسات بشرية ممرضة، في شريحة الليمف. ويجري إضافة جينات جديدة إليها باستمرار.

يُحدد رسم خرائط الإبيتوب مواقع ارتباط الأجسام المضادة بالمستضدات المستهدفة. في السابق، كان على العلماء عزل المستضدات، وهضمها إلى أجزاء أصغر، وتحديد أي من هذه الأجزاء يحفز استجابات الخلايا التائية والبائية لتحديد إبيتوب الجسم المضاد. يستفيد علم المناعة من قوة المعلوماتية الحيوية، ويقدم خوارزميات رسم الخرائط التي تُسرّع اكتشاف تسلسلات الإبيتوب. تُعد هذه الخوارزميات ذات صلة بتصميم اللقاحات، ولتوصيف الاستجابات المناعية وتعديلها في سياق أمراض المناعة الذاتية ، والغدد الصماء ، والحساسية ، وزراعة الأعضاء، والتشخيص، وهندسة البروتينات العلاجية.

تستطيع خوارزميات تحديد مواقع المستضدات للخلايا التائية والبائية التنبؤ بالمستضدات حسابيًا بناءً على التسلسل الجيني لمسببات الأمراض، دون معرفة مسبقة ببنية البروتين أو وظيفته. وتُستخدم سلسلة من الخطوات لتحديد المستضدات:

1. تُساعد المقارنة بين الكائنات الممرضة وغير الممرضة في تحديد الجينات المرشحة التي تُشفّر الحواتم التي تُحفّز استجابات الخلايا التائية، وذلك من خلال البحث عن تسلسلات فريدة للسلالات الممرضة. إضافةً إلى ذلك، تُتيح تقنيات المصفوفات الدقيقة التفاضلية اكتشاف جينات خاصة بمسببات الأمراض، والتي يزداد تعبيرها أثناء تفاعلها مع العائل، وقد تكون ذات أهمية للتحليل نظرًا لدورها المحوري في وظيفة مسبب المرض.
2. تتنبأ أدوات المعلوماتية المناعية بمناطق هذه الجينات المرشحة التي تتفاعل مع الخلايا التائية عن طريق مسح تسلسلات البروتين المشتقة من الجينوم لمسببات الأمراض.
3. تُصنّع هذه الببتيدات المتوقعة وتُستخدم في الفحص المختبري ضد الخلايا التائية. ويمكن أن يشير التعرف على استجابة مناعية إيجابية إلى أن هذا الببتيد يحتوي على جزء مستضدي يحفز الاستجابة المناعية أثناء العدوى أو المرض الطبيعي. ^{[ 8 ]}

يقوم مبدأ قياس التدفق الخلوي على وسم الخلايا أو الجسيمات دون الخلوية بمجسات فلورية، ثم تمريرها عبر شعاع ليزر وفرزها بناءً على شدة الفلورة المنبعثة من الخلايا الموجودة في القطرات. يُستخدم تلوين معقد التوافق النسيجي الرئيسي (MHC) باستخدام قياس التدفق الخلوي لتحديد وعزل خلايا T محددة بناءً على خصوصية ارتباط مستقبلات سطح الخلية الخاصة بها مع معقدات MHC-الببتيد الموسومة بالفلورة. ^{[ 9 ]}

يُعد اختبار ELISPOT نسخة معدلة من اختبار ELISA المناعي وهو طريقة شائعة لمراقبة الاستجابات المناعية.

يمكن لمقارنة الاختلافات بين البرامج الجينية العامة للخلايا المناعية أن تُنتج مخططات تُظهر موقع كل نوع من الخلايا على النحو الأمثل ليعكس نمط التعبير الجيني الخاص به مقارنةً بجميع الخلايا الأخرى، كما تكشف عن علاقات مثيرة للاهتمام بين أنواع الخلايا. على سبيل المثال، تتشابه أنماط التعبير الجيني للخلايا المناعية الظهارية النخاعية في الغدة الزعترية مع الخلايا اللمفاوية أكثر من تشابهها مع أنواع الخلايا الظهارية الأخرى. وهذا قد يشير إلى وجود تفاعل وظيفي بين هذين النوعين من الخلايا، ويتطلب ذلك تبادل نسخ جينية وبروتينات محددة. عند مقارنة أنماط التعبير الجيني لخلايا الجهاز الدموي، تتجمع مجموعات فرعية من الخلايا التائية والخلايا البائية بشكل وثيق مع أنواع الخلايا الخاصة بها.

من خلال دراسة النمط الجيني لأنواع مختلفة من الخلايا التائية، أظهر العلماء أن الخلايا التائية القاتلة الطبيعية هي نوع فرعي قريب من الخلايا التائية التقليدية CD4+ ، وليست نوعًا وسيطًا بين الخلايا التائية والخلايا القاتلة الطبيعية . بالإضافة إلى ذلك، تتجمع الخلايا المتغصنة والخلايا القاتلة الطبيعية والخلايا البائية في مجموعات متقاربة بناءً على أنماط التعبير الجيني الشاملة. كان من المتوقع أن تتجمع الخلايا اللمفاوية البائية والخلايا اللمفاوية التائية بشكل منفصل، أو أن تكون الخلايا القاتلة الطبيعية أقرب صلةً بالخلايا التائية نظرًا لاشتراكها في السلائف المشتركة والنشاط السام للخلايا وعلامات التنشيط المتشابهة. لذلك، أثبت علم المناعة وجود علاقة بين سلالات الخلايا تختلف عن النظرة التقليدية. علاوة على ذلك، قد يفسر هذا العلم بشكل أفضل المرونة الملحوظة في تمايز الخلايا اللمفاوية والنخاعية نظرًا للتداخل الكبير بين أنماط التعبير الجيني الشاملة لهذه السلالات المختلفة. ^{[ 14 ]}

تمثل الشبكات أوسع مستوى للتفاعلات الجينية، وتهدف إلى ربط جميع الجينات والنسخ في الجينوم المناعي. وتُحدد الأنماط الظاهرية الخلوية وحالات التمايز في نهاية المطاف من خلال نشاط هذه الشبكات من الجينات المتشاركة في التنظيم. وقد كشفت إحدى أكثر الشبكات اكتمالاً في علم المناعة عن الروابط التنظيمية بين الخلايا البائية البشرية الطبيعية والمتحولة. ويشير هذا التحليل إلى وجود شبكة هرمية حيث ينظم عدد قليل من الجينات عالية الترابط (تُسمى "المحاور") معظم التفاعلات. وبرز الجين الأولي المسرطن MYC كمحور رئيسي ومنظم مؤثر للغاية للخلايا البائية. والجدير بالذكر أنه وُجد أن MYC يتحكم بشكل مباشر في BYSL ، وهو جين محفوظ للغاية ولكنه غير موصوف بشكل كافٍ، ويُعد أكبر محور في شبكة الخلايا البائية بأكملها. وهذا يشير إلى أن BYSL يُشفّر جزيئًا خلويًا مهمًا ومؤثرًا حاسمًا في وظيفة MYC، ويحفز إجراء دراسات إضافية لتوضيح وظيفته. لذلك، فإن استخدام بيانات التعبير الجيني لإنشاء الشبكات يمكن أن يكشف عن جينات مؤثرة للغاية في تمايز الخلايا المناعية لم تكن التقنيات ما قبل الجينومية قد حددتها بعد. ^{[ 14 ]}

كما نقلت ستيفانيا بامبيني ورينو رابولي، "أدت تقنيات الجينوم الحديثة والقوية إلى زيادة عدد الأمراض التي يمكن معالجتها بالتطعيم، وتقليص الوقت اللازم لاكتشاف الأبحاث وتطوير اللقاحات ". وقد ساهم توفر التسلسلات الجينومية الكاملة لمسببات الأمراض، بالإضافة إلى تقنيات الجينوم عالية الإنتاجية، في تسريع تطوير اللقاحات. يستخدم علم اللقاحات العكسي التسلسلات الجينومية لمسببات الأمراض الفيروسية أو البكتيرية أو الطفيلية لتحديد الجينات التي يُحتمل أن تُشفّر جينات تُعزز الإمراضية . ^{[ 15 ]} وقد حدد أول تطبيق لعلم اللقاحات العكسي مرشحين للقاحات ضد النيسرية السحائية من المجموعة المصلية B. وحددت الأدوات الحاسوبية 600 بروتينًا مُحتملًا، سواءً كان مُعرضًا للسطح أو مُفرزًا، من التسلسل الجينومي الكامل لسلالة ممرضة من النيسرية السحائية من المجموعة المصلية B، وذلك بناءً على خصائص التسلسل. تم التعبير عن هذه البروتينات المُحتملة في بكتيريا الإشريكية القولونية، وتنقيها، واستخدامها لتحصين الفئران. وقدّرت الاختبارات التي أُجريت باستخدام أمصال مناعية من الفئران قدرة الأجسام المضادة على الحماية من هذه البروتينات. تم فحص البروتينات القادرة على إحداث استجابة مناعية قوية للتأكد من تشابه تسلسلها عبر مجموعة من سلالات التهاب السحايا، مما أتاح اختيار مستضدات قادرة على إحداث استجابة مناعية ضد معظم السلالات في المجموعة. وبناءً على تسلسلات هذه المستضدات، تمكن العلماء من تطوير لقاح "مزيج" شامل ضد النيسرية السحائية ، يستخدم خمسة مستضدات لتعزيز المناعة. ^{[ 16 ]} وقد استُخدمت مناهج مماثلة لمجموعة متنوعة من مسببات الأمراض البشرية الأخرى، مثل المكورات الرئوية ، والمتدثرة الرئوية ، والجمرة الخبيثة ، والبورفيروموناس اللثوية ، والمتفطرة السلية ، والملوية البوابية ، وغيرها. بالإضافة إلى ذلك، بدأت دراسات لتطوير لقاحات ضد الفيروسات.

تُؤدي مجموعة المستقبلات ومسارات نقل الإشارات التي تستخدمها الخلايا المناعية لمراقبة الجسم والدفاع عنه إلى ظهور أنماط مميزة من التعبير الجيني المتغير في خلايا الدم المحيطية، والتي تعكس طبيعة العدوى أو الإصابة. ولذلك، قد يكون التعرف على أنماط التعبير المميزة لخلايا الدم المحيطية أداة تشخيصية فعالة، وذلك من خلال توظيف هذه الخلايا كـ"جواسيس" للكشف عن الأمراض الخفية أو العوامل التي يصعب استزراعها من الجسم المضيف.

على سبيل المثال، كشفت عدوى الفيروس المضخم للخلايا (CMV) للخلايا الليفية وعدوى فيروس HTLV-I للخلايا اللمفاوية التائية عن أنماط تعبير جيني متباينة. فقد أثارت عدوى CMV استجابة إنترفيرون فريدة، بينما حثت عدوى HTLV-1 الجينات المستهدفة لعامل النسخ NF-kB. كما تم اختبار نوع من خلايا الدم البيضاء مرة أخرى، وتفاوت التعبير المناعي تبعًا لنوع السلالة البكتيرية المستخدمة.

يمكن أن يساعد رصد تغيرات التعبير الجيني في الدم المحيطي على تحديد مسار العدوى، وبالتالي علاج المرضى بعلاج مُصمم خصيصًا لمرحلة مرضهم. وقد استُخدم هذا النهج بالفعل في علاج الإنتان، وهو مرض يتطور وفق مسار متوقع. قد تسبق تغيرات بصمات التعبير الجيني التفاقم السريري للأعراض، كما هو الحال في التصلب المتعدد ، مما يسمح للأطباء بالسيطرة على هذه النوبات في مهدها. ^{[ 1 ]}