Immunotherapy represents a new paradigm to obtain remarkable potency and durability in cancer treatment—by exploiting the immune system, not the tumor itself. Ongoing research mostly focuses on identifying, targeting, and modulating critical immune signaling pathways to improve efficacy physiologically. Recently, biophysical experiments have revealed that cellular forces have biophysically critical roles in activating the adaptive immune response. In this regard, we hypothesize that understanding the mechanobiology of immune dynamics is important for advancing immunotherapy.
Optical microscopy is indispensable for assessing the mechanobiology of live immune cells. Conventional imaging methods rely on fluorescent markers. However, they have limitations concerning spatiotemporal resolution, photobleaching, and phototoxicity; this is particularly true when imaging cells in three dimensions (3D). To address the rapid, long-term dynamics of the adaptive immune response, developing a high-speed, volumetric, and label-free microscopy tool is required.
In this thesis, we propose and experimentally demonstrate the development of the 3D single-cell optomechanical platform for a volumetric, long-term and high-speed assessment of immune dynamics. Our platform mainly exploits optical diffraction tomography, a label-free tomographic microscopy technique which enables quantitative spatiotemporal analyses of intracellular protein density distributions. The proposed system provides the high-throughput imaging capability at 140 nm lateral, 400 nm axial, and 2 seconds temporal resolution. We integrated fluorescence-based structured illumination microscopy to enable 3D quantitative structural analysis of the immunological synapse by chimeric antigen receptor T cells. Additionally, we simultaneously measure and transduce 3D traction force of the immunological synapse by a cytotoxic T cell by combining a a method of holographic optical tweezers and traction force microscopy. The demonstrated method enables a high-throughput, label-free, and 3D measurement of immune-cell mechanics.
면역 항암 치료는 종양을 표적하는 게 아니라 면역 체계를 활용해 높은 효능과 완전 관여율로 항암 치료를 하는 방법이다. 기존 연구는 면역 항암 치료제의 효능을 개선하기 위해 면역 신호 전달 경로를 생리학적으로 식별, 표적화 및 조절하는 데 중점을 뒀다. 최근 생물물리학 실험을 통해 세포력이 면역 반응을 활성화하는 데 기여한다는 사실이 밝혀졌다. 이에 본 연구는 면역 활성의 물리적인 역학을 이해하는 것이 면역 항암 치료를 발전하는데 중요하다고 가설한다.
광학 현미경은 살아있는 면역 세포의 생물 역학을 분석하는데 필수적인 기술이다. 기존 현미경 기술은 형광 마커에 의존하나 제한된 시공간 해상도, 광표백 및 광독성 등의 한계가 있다. 특히 면역 세포의 3차원 촬영이 필요한 경우 이 한계는 두드러진다. 면역 반응의 빠르고 장기적인 3차원 역학을 분석하려면 고속의 3차원 비표지식 현미경 기술을 개발해야 한다.
본 논문에서 우리는 면역 역학의 3차원 고속 장기적 촬영 및 분석을 위한 3차원 단세포 광역학 플랫폼을 개발하고 실험적으로 시연하고자 한다. 제안한 플랫폼은 광학 회절 단층 촬영 기법을 주로 사용하며, 이 기술을 활영해 면역 세포 내 단백질 밀도 분포의 정량적 시공간 분석을 가능케 한다. 제안된 플랫폼은 최대 140 nm xy축, 400 nm z축, 2 초의 시간 해상도를 제공하며, 형광 현미경과 상보적으로 사용해 키메라 항원 수용체 T 세포에 의한 면역 관문에 대한 3차원 정량 분석을 가능케 했다. 추가적으로 홀로그램 광학 집게 및 견인력 측정 현미경과 결합하여 면역 세포의 3차원 힘과 형태를 동시에 측정하는 데 성공했다.
