用流式细胞术研究T细胞
科学家们首先发现不同的免疫细胞类型有不同的物理特性，比如大小和颗粒度，这是细胞的纹理。为了将这些不同的特性可视化，他们使用了一种叫做流式细胞术的技术，这种技术迫使细胞通过狭窄的通道，形成单细胞流。然后，通过向每个细胞照射激光束，研究人员能够利用细胞如何偏转光线来绘制这些细胞的大小和粒度这两个维度。
随着时间的推移，免疫学家发现，除了物理性质的差异之外，每种细胞类型都有独特的表面蛋白质组合，可以用来进一步识别细胞。例如，所有的免疫细胞都有表面蛋白标记CD45。通过使用荧光标记或结合CD45的抗体，然后使用激光使其发光，我们现在可以看到所有的免疫细胞都会因为CD45而发光。
科学家可以通过使用一组独特的标识符来识别每种细胞类型。对于T细胞，我们可以使用这组表面蛋白标记来追踪它们从胸腺开始到脾脏、淋巴器官和外周血的整个发育路径。
改进T细胞鉴定
这种方法在我们处理区分细胞表面的标记时非常有效，这些标记是面向细胞外的。但是，如果这种区别存在于细胞内部，或者如果这种区别存在于细胞外部，但差异太小以至于抗体无法检测到呢?
例如，我们的每个T细胞都表达一种独特的T细胞受体(TCR)，这使得CD8+ T细胞能够特异性地靶向并杀死肿瘤细胞或感染细胞。每个独特的TCR只能识别和响应理论上数万亿的少量短肽序列。这些短肽来自于细胞内被切割的循环蛋白质，并装载到主要组织相容性复合体(MHC)中，将它们带到T细胞可以看到它们的细胞表面。
这被称为TCR特异性，它依赖于TCR内的几个小区域，这些区域在每个细胞上都是不同的，但对于抗体来说太小和独特，无法结合。此外，在活跃的T细胞反应过程中，尽管我们有少量的细胞表面蛋白质可以在响应的T细胞上波动，但更大的波动发生在细胞内，涉及数百种蛋白质。这些内部蛋白质相互作用的复杂网络是调整反应状态的关键。
流式细胞术在回答这两个方面的问题方面是有限的。虽然流式细胞术可以给我们一个粗略的快照，在给定的时间点是否有t细胞反应，但我们无法看到在这个时间点之前发生了什么，或者预测未来可能会发生什么。
为了找到一种方法来追踪T细胞反应的历史并预测未来的行为，科学家们回到了细胞生物学的中心法则，即DNA被转录成RNA，然后被翻译成蛋白质。由于在蛋白质水平上存在障碍，科学家们现在正在研究RNA和DNA水平。通过这种方式，研究人员试图阐明T细胞反应轨迹的更精细细节，并将时间因素纳入他们的分析中。
几年来，St. Jude Paul Thomas博士实验室的Stefan Schattgen博士开发了一种新的分析方法，称为克隆型邻居图分析(Clonotype Neighbor Graph Analysis，CoNGA)，将分析方法结合起来，观察TCR特异性和T细胞功能状态(它的功能)。CONGA有效地弥合了形式和功能之间的差距。
CoNGA:分析T细胞的新方法
免疫学家自20世纪70年代开始使用流式细胞术。那时，我们从大小和粒度的角度来研究细胞，这是两个维度。当他们开始加入荧光标记时，维度开始增加。在过去的50年里，流式细胞术技术的进步使我们能够同时测量多达60个标记物。
但现在，当我们切换到基因表达数据(RNA)时，当我们同时测量细胞表达的所有基因时，维度变成了数千个。
这给了我们很多关于T细胞反应的更详细的细节，但我们仍然有一个问题。在很长一段时间里，关于T细胞特异性的研究(即T细胞是否能对靶标做出反应)与T细胞的功能状态(换句话说，T细胞如何做出反应)是分开进行的。
如果我们测量T细胞的特异性，我们就能知道病人是否有反应的能力，但同时通过以基因表达的形式捕捉细胞状态，我们就能知道T细胞是否有反应，以及如何反应。接下来的问题是，我们如何将这两种信息整合在一起，以更好地了解患者的T细胞是否以及如何对感染或癌症做出反应。
这就是为什么我们开发了CoNGA，将TCR特异性与细胞状态联系起来。
T细胞分析指纹TCRs
我们可以把TCR的特异性看作是细胞的指纹。虽然每个指纹看起来都有点不同，但我们可以将收集到的所有指纹进行比较，并将看起来相似的指纹分组在一起。例如，一个集合可能在某个位置有一些循环或俯冲。一旦我们这样做了，我们就可以将所有的指纹排列到一张地图上，相似的指纹位于彼此靠近的地方。
T细胞反应状态可以被认为是T细胞在任何给定时间点与周围其他T细胞相比所做的事情。一些细胞会有类似的反应，而另一些则不会，我们可以根据周围的情况来想象反应的状态。
如果你知道一个T细胞与其他T细胞在这些区域中的哪个位置进行比较，然后将它们连接在一起，你就可以自信地判断一个看起来应该有反应的T细胞是否有反应。例如，我们可以问流感特异性T细胞是否对流感产生强有力的反应。我们在《自然生物技术》上发表了CoNGA。目前，它是探索和解释这些高维数据集的有用工具，但我们正在扩展CoNGA，希望它能引导我们做出更好的医疗决策和治疗。
有很多关于T细胞如何发挥作用的科学文献。问题是，当你根据文献提出假设时，你已经在实验设计和解释中冒着偏差的风险。这可能会导致整个领域陷入某种思维方式，而这种思维方式实际上可能是正确的，也可能不是。通过CoNGA，我们创建了一个无偏见的分析管道，它可以成为让数据指向正确方向的工具。
