Thụ thể tế bào T nhận diện loại kháng nguyên nào?

Thụ thể tế bào T chủ yếu nhận diện các đoạn peptide ngắn có nguồn gốc protein ngoại sinh hoặc nội sinh đã qua xử lý và được trình diện trên rãnh của phân tử phức hợp hòa hợp mô chủ yếu (MHC lớp I hoặc lớp II). Khác với kháng thể của tế bào B, thụ thể tế bào T alpha-beta thông thường không gắn trực tiếp với các kháng nguyên nguyên vẹn hay các protein tự do hòa tan trong dịch ngoại bào.

Phức hợp CD3 có vai trò gì bên cạnh thụ thể tế bào T?

Do hai chuỗi alpha và beta của thụ thể tế bào T có đuôi tế bào chất rất ngắn và thiếu hoạt tính enzyme truyền tin, phức hợp CD3 gồm 8 chuỗi xuyên màng cung cấp 10 motif ITAM để liên kết với các tyrosine kinase nội bào. Khi thụ thể gắn kết với kháng nguyên, các motif ITAM của CD3 được phosphoryl hóa bởi kinase Lck, khởi động các chuỗi tín hiệu nội bào qua ZAP-70, PLC-γ1 và các yếu tố phiên mã.

Hiện tượng giới hạn bởi MHC của thụ thể tế bào T có ý nghĩa gì?

Hiện tượng giới hạn bởi MHC khẳng định thụ thể tế bào T chỉ có thể nhận diện và kích hoạt phản ứng miễn dịch khi kháng nguyên peptide được trình diện bởi chính các phân tử MHC của bản thân cơ thể vật chủ. Cơ chế này đảm bảo tế bào T kiểm soát chặt chẽ các tế bào bị nhiễm mầm bệnh hoặc biến đổi ác tính, đồng thời tránh kích hoạt miễn dịch bừa bãi đối với kháng nguyên tự do.

Liệu pháp tế bào TCR-T khác biệt như thế nào so với CAR-T?

Liệu pháp CAR-T sử dụng thụ thể kháng nguyên dạng chimeric chỉ có thể nhận diện các kháng nguyên protein bộc lộ trên bề mặt màng tế bào. Trong khi đó, liệu pháp TCR-T sử dụng thụ thể chuyển gene có khả năng nhận diện các peptide bắt nguồn từ toàn bộ kho protein nội bào của khối u khi được trình diện qua phân tử HLA, giúp mở rộng phổ kháng nguyên mục tiêu sang các đột biến ung thư nội bào.

Thụ thể tế bào T (T-cell receptor) là gì?

Thụ thể tế bào T (T-cell receptor, TCR) là phức hợp protein xuyên màng hiện diện trên bề mặt tế bào lympho T, đảm nhiệm chức năng nhận diện đặc hiệu kháng nguyên peptide được trình diện bởi phân tử phức hợp hòa hợp mô chủ yếu (MHC) trên bề mặt tế bào trình diện kháng nguyên. Sự gắn kết đặc hiệu giữa thụ thể tế bào T và phức hợp kháng nguyên peptide-MHC đóng vai trò khởi động chuỗi dẫn truyền tín hiệu nội bào, kích hoạt quá trình tăng sinh tế bào, biệt hóa dòng tế bào và thực thi các đáp ứng miễn dịch thích ứng. Bài viết phân tích cấu trúc không gian ba chiều của phức hợp thụ thể, cơ chế phát sinh tính đa dạng thông qua tái tổ hợp di truyền, quá trình chọn lọc nghiêm ngặt tại tuyến ức cùng các ứng dụng trị liệu miễn dịch hiện đại.

Cấu trúc phân tử và phức hợp TCR-CD3

Trên màng sinh chất của tế bào lympho T, thụ thể tế bào T không tồn tại dưới dạng phân tử đơn độc mà luôn tổ hợp chặt chẽ với các protein hỗ trợ truyền tín hiệu thuộc phức hợp CD3. Bản thân thụ thể tế bào T nhận diện kháng nguyên là một dị dị thể (heterodimer) liên kết qua cầu nối disulfide, bao gồm hai chuỗi polypeptide xuyên màng. Đại đa số tế bào lympho T ở người mang thụ thể gồm chuỗi alpha và chuỗi beta, trong khi một tỷ lệ nhỏ mang thụ thể gồm chuỗi gamma và chuỗi delta.

Mỗi chuỗi polypeptide của thụ thể tế bào T cấu thành từ một vùng biến đổi (vùng V, variable domain) ở đầu tận cùng amino và một vùng hằng định (vùng C, constant domain) ở gần màng tế bào, nối tiếp bởi đoạn xuyên màng và đuôi tế bào chất rất ngắn. Đuôi tế bào chất của chuỗi alpha và beta chỉ gồm vài acid amin và hoàn toàn không có hoạt tính enzyme truyền tín hiệu. Do đó, thụ thể tế bào T bắt buộc phải cộng tác chức năng với phức hợp CD3 để chuyển đổi biến cố nhận diện kháng nguyên bên ngoài màng thành tín hiệu sinh hóa bên trong tế bào chất.

Nghiên cứu cấu trúc sinh học phân tử ở độ phân giải 3,7 Å sử dụng kính hiển vi điện tử nghiệm lạnh (cryo-EM) của Dong và cộng sự (2019) đã làm sáng tỏ cấu trúc không gian đầy đủ của phức hợp TCR-CD3 ở người. Phức hợp hoàn chỉnh gồm 8 chuỗi polypeptide xuyên màng, tổ hợp theo tỷ lệ 1:1:1:1 giữa dị dị thể TCR alpha-beta và 3 khối nhị phân CD3: dị thể CD3γε, dị thể CD3δε cùng đồng thể CD3ζζ. Sự liên kết bền vững của phức hợp được củng cố bởi các tương tác tĩnh điện đặc hiệu trong lớp kép lipid, nơi các acid amin tích điện dương trên đoạn xuyên màng của chuỗi alpha và beta tương tác chặt chẽ với các acid amin mang điện tích âm trên các chuỗi của CD3.

Khả năng gắn kết đặc hiệu với kháng nguyên tập trung tại các vòng siêu biến nằm trên vùng biến đổi, được định danh là các vùng xác định bổ cứu tính (complementarity-determining regions, CDR). Mỗi chuỗi alpha và beta chứa 3 vòng siêu biến gồm CDR1, CDR2 và CDR3. Theo phân tích cấu trúc của Rudolph và cộng sự (2006), các vòng CDR1 và CDR2 chủ yếu tiếp xúc với các chuỗi xoắn alpha bảo tồn của phân tử MHC, trong khi vòng CDR3 nằm ở vị trí trung tâm, sở hữu độ biến thiên cao nhất và tiếp xúc trực tiếp với các gốc acid amin của peptide kháng nguyên nằm trong rãnh gắn.

Đặc tính hóa lý của tương tác gắn kết giữa thụ thể tế bào T và phức hợp peptide-MHC có thể được lượng hóa thông qua cân bằng động học phân tử:

K_D = \frac{[TCR][pMHC]}{[TCR\text{-}pMHC]} = \frac{k_{off}}{k_{on}}

trong đó $K_D$ đại diện cho hằng số phân ly cân bằng của phức hợp tương tác, $[TCR]$ là nồng độ thụ thể tự do, $[pMHC]$ là nồng độ phức hợp peptide-MHC tự do, $[TCR\text{-}pMHC]$ là nồng độ phức hợp gắn kết, $k_{on}$ là hằng số tốc độ gắn kết và $k_{off}$ là hằng số tốc độ phân ly.

Cơ chế nhận diện kháng nguyên và hiện tượng giới hạn bởi MHC

Khác biệt căn bản giữa thụ thể tế bào T và thụ thể kháng thể của tế bào B nằm ở phương thức nhận diện kháng nguyên. Tế bào B có thể nhận diện các kháng nguyên nguyên vẹn ở dạng tự do hòa tan hoặc trên bề mặt vi sinh vật. Ngược lại, thụ thể tế bào T chỉ nhận diện các mảnh peptide ngắn đã được xử lý và neo giữ trong rãnh gắn phân tử của phức hợp hòa hợp mô chủ yếu (MHC lớp I hoặc MHC lớp II).

Đặc tính sinh học này được gọi là hiện tượng giới hạn bởi MHC (MHC restriction). Hiện tượng này được phát hiện vào năm 1974 bởi hai nhà khoa học Zinkernagel và Doherty khi nghiên cứu phản ứng ly giải tế bào đích của tế bào T gây độc trên mô hình chuột nhiễm virus viêm màng não-hạch lympho màng mạch. Công trình đột phá chứng minh tế bào T chỉ có thể nhận diện và tiêu diệt tế bào đích mang kháng nguyên virus khi tế bào đích biểu hiện cùng alen kháng nguyên phù hợp tổ chức H-2 của bản thân vật chủ.

Quá trình nhận diện này nhận được sự hỗ trợ thiết yếu từ các phân tử đồng thụ thể:

Đồng thụ thể CD4: Hiện diện trên tế bào T hỗ trợ, là một chuỗi glycoprotein đơn liên kết chuyên biệt với domain không đa hình của phân tử MHC lớp II, hướng tế bào T đến việc nhận diện kháng nguyên ngoại sinh.
Đồng thụ thể CD8: Hiện diện trên tế bào T gây độc, tồn tại dưới dạng dị thể alpha-beta liên kết chọn lọc với domain alpha-3 của phân tử MHC lớp I, phối hợp nhận diện các peptide có nguồn gốc nội sinh như kháng nguyên virus hoặc protein đột biến của khối u.

Cơ chế tái tổ hợp di truyền và sự đa dạng của kho thụ thể

Hệ thống miễn dịch thích ứng đòi hỏi khả năng nhận diện một phổ kháng nguyên ngoại lai rộng lớn. Do bộ gene người chỉ chứa số lượng gene hữu hạn, tính đa dạng phi thường của thụ thể tế bào T được tạo ra thông qua cơ chế tái tổ hợp soma các đoạn gene V (Variable), D (Diversity) và J (Joining).

Quá trình này diễn ra trong các tế bào lympho T non tại tuyến ức, được điều phối bởi phức hợp enzyme tái tổ hợp RAG-1 và RAG-2. Đoạn gene mã hóa cho chuỗi alpha trải qua quá trình tái sắp xếp V-J, trong khi đoạn gene mã hóa cho chuỗi beta trải qua quá trình tái sắp xếp V-D-J. Sự đa dạng tổ hợp được khuếch đại vượt bậc nhờ enzyme deoxynucleotidyl transferase đầu tận (TdT), enzyme này xúc tác việc chèn ngẫu nhiên các nucleotide không có khuôn mẫu (nucleotide N) tại các điểm nối đoạn gene.

Theo công trình nghiên cứu định lượng của Arstila và cộng sự (1999), mặc dù các phép tính tổ hợp lý thuyết chỉ ra tiềm năng tạo ra trên 10^15 cấu trúc thụ thể tế bào T khác nhau, kho thụ thể tế bào T alpha-beta chức năng thực tế lưu hành trong máu ngoại vi ở một người trưởng thành khỏe mạnh được ước tính vào khoảng 2,5 x 10^7 clone thụ thể phân biệt. Giới hạn thực tế này bắt nguồn từ tổng số lượng tế bào lympho trong cơ thể và sự đào thải nghiêm ngặt trong quá trình thanh lọc tại tuyến ức.

Quá trình phát triển và chọn lọc tại tuyến ức

Các tế bào tiền thân lympho từ tủy xương di chuyển đến tuyến ức để trải qua quá trình trưởng thành và chọn lọc phức tạp. Tại đây, tế bào phát triển qua các giai đoạn âm tính kép (chưa biểu hiện CD4 và CD8), tiến tới giai đoạn dương tính kép biểu hiện đồng thời cả CD4 và CD8, đồng thời biểu hiện phức hợp thụ thể tế bào T alpha-beta hoàn chỉnh trên bề mặt.

Để đảm bảo hiệu quả miễn dịch và ngăn ngừa nguy cơ tự miễn, tế bào T bắt buộc phải vượt qua hai cánh cổng kiểm soát sinh học:

Chọn lọc dương tính (Positive selection): Diễn ra tại vùng vỏ tuyến ức. Các tế bào biểu hiện thụ thể có khả năng gắn kết với phức hợp peptide tự thân-MHC của tế bào biểu mô vỏ tuyến ức với ái lực phù hợp sẽ nhận tín hiệu sống sót và tiếp tục biệt hóa thành tế bào đơn dương tính (chỉ mang CD4 hoặc CD8). Những tế bào có thụ thể không thể nhận diện MHC sẽ chết theo chương trình do thiếu tín hiệu sống.
Chọn lọc âm tính (Negative selection): Diễn ra chủ yếu tại vùng tủy tuyến ức. Những tế bào T tương tác với ái lực quá mạnh đối với các peptide kháng nguyên tự thân do tế bào trình diện kháng nguyên biểu thị sẽ bị loại bỏ thông qua cơ chế chết tế bào theo chương trình. Quá trình dung nạp trung ương này giúp loại trừ các dòng tế bào lympho có nguy cơ gây bệnh tự miễn.

Dẫn truyền tín hiệu nội bào sau kích hoạt

Khi thụ thể tế bào T nhận diện phức hợp peptide-MHC tương ứng, biến cố gắn kết ngoại bào nhanh chóng được chuyển dịch thành tín hiệu hoạt hóa tế bào thông qua phức hợp CD3. Tổng cộng có 10 motif kích hoạt dựa trên tyrosine của thụ thể miễn dịch (ITAM) phân bố trên các chuỗi của CD3, trong đó mỗi chuỗi CD3γ, CD3δ và CD3ε chứa 1 motif ITAM, còn mỗi chuỗi CD3ζ sở hữu 3 motif ITAM theo mô tả chi tiết của Smith-Garvin và cộng sự (2009).

Trình tự các phản ứng hóa sinh nội bào diễn ra tuần tự:

Tyrosine kinase thuộc họ Src là Lck, vốn gắn kết với đuôi tế bào chất của phân tử đồng thụ thể CD4 hoặc CD8, nhanh chóng phosphoryl hóa các gốc tyrosine trong các motif ITAM của chuỗi CD3.
Các gốc tyrosine đã phosphoryl hóa tạo vị trí gắn có ái lực cao để tuyển mộ protein kinase ZAP-70 thông qua hai domain SH2 nối tiếp nhau của enzyme này.
Lck tiếp tục phosphoryl hóa hoạt hóa ZAP-70; kinase này sau đó phosphoryl hóa các protein khung màng chủ chốt bao gồm LAT (linker for activation of T cells) và protein tiếp hợp SLP.
Phức hợp protein khung tuyển mộ enzyme phospholipase C-gamma-1 (PLC-γ1), dẫn đến sự thủy phân phospholipid màng phosphatidylinositol thành inositol trisphosphate (IP3) và diacylglycerol (DAG).
IP3 kích thích giải phóng ion canxi từ mạng nội chất, làm mở các kênh canxi phụ thuộc phóng thích canxi trên màng tế bào, kích hoạt phosphatase calcineurin khử phosphoryl hóa yếu tố phiên mã NFAT, cho phép NFAT chuyển vị vào nhân tế bào. Cùng lúc đó, DAG kích hoạt con đường protein kinase C và Ras-MAPK, dẫn đến kích hoạt các yếu tố phiên mã NF-κB và AP-1, thúc đẩy biểu hiện gene cytokine interleukin-2 phục vụ quá trình phân chia tế bào.

So sánh hai dòng thụ thể tế bào T

Bảng dưới đây tổng hợp các đặc tính sinh học phân biệt giữa dòng tế bào T mang thụ thể alpha-beta và dòng mang thụ thể gamma-delta:

Đặc tính sinh học	Thụ thể tế bào T alpha-beta (TCR αβ)	Thụ thể tế bào T gamma-delta (TCR γδ)
Tỷ lệ trong máu ngoại vi	Chiếm ưu thế tuyệt đối trong tuần hoàn máu ngoại vi và hạch bạch huyết	Chiếm tỷ lệ thiểu số trong máu, phân bố tập trung tại biểu mô niêm mạc và da
Bản chất chuỗi polypeptide	Gồm một chuỗi alpha và một chuỗi beta	Gồm một chuỗi gamma và một chuỗi delta
Tính giới hạn bởi MHC	Phụ thuộc nghiêm ngặt vào phân tử MHC lớp I hoặc lớp II cổ điển	Không phụ thuộc vào phân tử MHC cổ điển, có thể nhận diện phân tử CD1 hoặc stress protein
Bản chất kháng nguyên	Các đoạn peptide ngắn có nguồn gốc protein ngoại sinh hoặc nội sinh	Các kháng nguyên lipid, phosphoantigen không qua xử lý protein cổ điển
Tính đa dạng thực tế	Kho thụ thể biến thiên rất lớn với khoảng 2,5 x 10^7 cấu trúc chức năng	Độ đa dạng cấu trúc tổ hợp hạn chế hơn so với dòng alpha-beta

Ứng dụng y sinh học và liệu pháp tế bào

Hiểu biết sâu sắc về cấu trúc và cơ chế nhận diện của thụ thể tế bào T đã mở ra kỷ nguyên mới cho liệu pháp miễn dịch điều trị ung thư và các bệnh lý nhiễm trùng mạn tính. Nổi bật nhất là hai phương tiếp cận điều trị miễn dịch định hướng thụ thể:

Liệu pháp thụ thể tế bào T chuyển gene (TCR-T therapy): Theo đánh giá của Morris và Stauss (2016), liệu pháp TCR-T sở hữu ưu thế vượt trội so với liệu pháp thụ thể kháng nguyên dạng chimeric (CAR-T) ở khả năng nhận diện các epitope peptide có nguồn gốc từ các protein nội bào ung thư được trình diện trên phân tử HLA, chẳng hạn như kháng nguyên tinh hoàn-ung thư NY-ESO-1 hoặc protein WT1. Trong khi tế bào CAR-T chỉ có thể tấn công các kháng nguyên bề mặt màng tế bào, liệu pháp TCR-T mở rộng phổ mục tiêu trị liệu sang toàn bộ kho protein nội bào của tế bào ác tính.

Phân tử gắn kết bispecific chuyển hướng thụ thể: Thuốc tebentafusp là phân tử sinh học hòa tan kết hợp domain nhận diện TCR ái lực cao định hướng peptide kháng nguyên gp100 trên phân tử HLA-A*02:01 với kháng thể đơn chuỗi kháng CD3. Trong thử nghiệm lâm sàng pha 3 tiến hành trên 378 bệnh nhân ung thư hắc tố màng bồ đào di căn của Nathan và cộng sự (2021), nhóm bệnh nhân điều trị bằng tebentafusp đạt tỷ lệ sống sót toàn bộ sau 1 năm là 73% so với 59% ở nhóm phác đồ đối chứng. Phân tích thống kê cho thấy tebentafusp giúp giảm đáng kể nguy cơ tử vong với tỷ số nguy cơ 0,51 (khoảng tin cậy 95%: 0,37 đến 0,71; p < 0,001).

Tại Việt Nam, nghiên cứu và ứng dụng liệu pháp tế bào miễn dịch đang từng bước được chuẩn hóa và triển khai tại các trung tâm y khoa đầu ngành như Viện Huyết học - Truyền máu Trung ương và Bệnh viện K. Để tạo hành lang pháp lý và tiêu chuẩn chuyên môn cho các thử nghiệm lâm sàng và ứng dụng thực tiễn, Bộ Y tế đã ban hành Quyết định số 4259/QĐ-BYT năm 2020 thiết lập tài liệu chuyên môn hướng dẫn nghiên cứu ứng dụng tế bào và sản phẩm từ tế bào tại Việt Nam, bao gồm các quy định nghiêm ngặt về quản lý chất lượng và theo dõi an toàn sinh học.

Điều kiện ranh giới, hạn chế sinh học và thách thức

Mặc dù giữ vai trò cốt lõi trong hệ thống phòng ngự miễn dịch, chức năng nhận diện của thụ thể tế bào T cũng chịu sự chi phối của những hạn chế và ranh giới sinh học rõ rệt:

Tính phụ thuộc alen HLA: Khác với kháng thể có thể áp dụng rộng rãi, thụ thể tế bào T chỉ phát huy tác dụng trên các cá thể mang đúng alen HLA tương thích (ví dụ kiểu hình HLA-A*02:01). Rào cản này hạn chế khả năng phổ quát hóa của liệu pháp TCR-T trên toàn thể quần thể bệnh nhân đa dạng về mặt di truyền.
Hiện tượng bắt cặp sai (mispairing): Khi chuyển gene thụ thể ngoại lai vào tế bào T của bệnh nhân, các chuỗi alpha hoặc beta ngoại lai có thể bắt cặp ngẫu nhiên với các chuỗi thụ thể nội sinh của tế bào chủ. Quá trình bắt cặp lệch này có nguy cơ tạo ra các thụ thể mang tính đặc hiệu không dự đoán trước, dẫn đến phản ứng tự miễn chống lại các mô lành của người bệnh.
Cơ chế né tránh miễn dịch của khối u: Tế bào ác tính có xu hướng làm giảm biểu hiện hoặc đột biến mất gene beta-2 microglobulin, dẫn đến mất biểu hiện phân tử MHC lớp I trên bề mặt màng. Biến cố này khiến thụ thể tế bào T hoàn toàn không thể nhận diện được tế bào ung thư, gây thất bại trong đáp ứng điều trị.