Engineered antigen-presenting hydrogels: model platforms for studies of T cell mechanotransduction

Abstract

T cells apply forces and eventually sense and then respond to the mechanical properties of their surroundings, including those of antigen presenting cells (APC) when they form the immunological synapse (IS). The identification of the mechanosensitive receptors and time scales at which they sense and actuate is experimentally difficult at the natural cell-cell interface. Inspired by the tools used in cell-matrix mechanobiology, this thesis presents synthetic, hydrogel-based models of APCs to study T cell mechanotransduction, focusing on the early T cell activation. Polyacrylamide (PAAm) hydrogels (1-50 kPa) were micropatterned with streptavidin and APC ligands (antibody against CD3 co-receptor (anti-CD3) and intercellular cell adhesion molecule-1 (ICAM-1)) at controlled ligand density and in geometries with defined dimensions. The anti-CD3 patterned hydrogels were used to study the interplay between hydrogel stiffness and CD3-mediated early T cell activation markers. In the last chapter, the regulatory role of ICAM-1 coupled to anti-CD3 and hydrogel stiffness in early T cell activation was studied on hydrogels with patterned anti-CD3 microdots surrounded by a background of ICAM-1. The results contribute to the understanding of the factors involved in T cell mechanotransduction, providing useful information for the future design of immunomodulatory materials.

T-Zellen üben auf ihre Umgebung Kräfte aus und erfassen und reagieren auf die mechanischen Eigenschaften ihrer Umgebung, insbesondere auf Antigen-präsentierende Zellen (APC), wenn sie die immunologische Synapse (IS) bilden. Die Identifizierung der mechanosensitiven Rezeptoren und der Zeitskalen, in denen sie aktiviert werden, ist an der natürlichen Zell-Zell-Grenzfläche experimentell schwierig. Inspiriert von Werkzeugen aus der Zellmatrix-Mechanobiologie werden in dieser Arbeit synthetische hydrogelbasierte Modelle der IS entwickelt, um die T-Zell-Mechanotransduktion zu untersuchen, wobei der Schwerpunkt auf der frühen T-Zell-Aktivierung liegt. Dazu wurden Polyacrylamid (PAAm)-Hydrogele (1-50 kPa) hergestellt und mit Streptavidin- und APC-Liganden (Antikörper gegen CD3-Co-Rezeptor (Anti-CD3) und interzelluläres Zelladhäsionsmolekül-1 (ICAM-1)) mikrostrukturiert. Anhand von Hydrogelen mit Anti-CD3-Mustern wurde die Korrelation zwischen der CD3-vermittelten frühen T-Zell-Aktivierung und der Steifigkeit des Hydrogels untersucht. Anschließend wurde die zusätzliche regulatorische Rolle von ICAM-1 an Hydrogelen mit strukturierten Anti-CD3-Mikropunkten auf einem ICAM-1 Hintergrund untersucht. Die Ergebnisse tragen zum Verständnis der Faktoren bei, die an der T-Zell-Mechanotransduktion beteiligt sind, und liefern nützliche Informationen für das zukünftige Design immunmodulatorischer Materialien.