Immuno-Materialien

Building Immunity from the Bottom Up

Die Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe Immuno Materials entwickelt neue zellbasierte, synthetische Ansätze, um Immunreaktionen zu regulieren und zu untersuchen. Durch den Einsatz von Modellmembransystemen und in-vitro-Rekonstitutionsansätzen, inspiriert von der Bottom-up-Synthetischen Biologie, konstruieren wir kontrollierte zelluläre Umgebungen, die Immunreaktionen in T-Zellen und Krebszellen auslösen. Mit diesem Ansatz untersuchen wir, wie biophysikalische und biochemische Signale die Kommunikation zwischen Krebs- und Immunzellen steuern, und nutzen dieses Wissen, um neuartige Immuntherapien der nächsten Generation zu verbessern.

Dr. Oskar Staufer
Prof. Dr. Oskar Staufer
Leiter Immuno-Materialien
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Forschung

Synthetische Tumor-Immunmikroumgebungen

Zentrale Forschungsfragen

Wie passen sich Krebszellen an ihre Immunmikroumgebung an? Wie beeinflusst die Anwesenheit von Immunzellen in der Umgebung von Krebszellen deren Reaktion auf Therapien?

Im Rahmen dieses Projekts entwickeln wir künstliche Tumor-Immunmikroumgebungen (TIME) für humane Pankreaskarzinom-Organoide, um eine strukturierte und rationale Analyse der Immunanpassung von Tumoren zu ermöglichen. Immunzellen, die prägenden Elemente einer Immunmikroumgebung, werden dabei als synthetische Zellen nach dem Bottom-up-Prinzip aus ihren molekularen Bausteinen rekonstruiert. Diese programmierbaren synthetischen Zellen werden in Tumororganoide eingebracht, wo sie als lebensnahe Leukozytenmimetika fungieren und immunologische Effektorfunktionen präsentieren.


Auf diese Weise entsteht eine molekular definierte Immunumgebung innerhalb der Tumormodelle. Multiparametrische Screenings erfassen die Organoidentwicklung sowie die Immuntherapieantwort in Abhängigkeit von der jeweiligen Konfiguration der synthetischen Mikroumgebung. Diese Strategie verknüpft die Architektur von TIMEs mit der Immunanpassung und -umgehung von Krebszellen, um eine quantitative Beschreibung von Therapieresistenzen zu ermöglichen. Das Projekt zielt darauf ab, die dynamische Komplexität der Tumor Immunmikroumgebung rational zu entschlüsseln. Darüber hinaus liefert es neue Konzepte für die Assemblierung hybrider Biomaterialien, die wesentliche Eigenschaften lebender Zellen verkörpern.

Grafik zum künstlichen Tumor-Immunsystem: Links eine Fluoreszenzaufnahme von Krebszellen und synthetischen Zellen, rechts ein schematisches Tumormodell, in dem synthetische Zellen die Immunumgebung nachbilden.
Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme eines dichten Zellverbands mit synthetischen Zellen und menschlichen T-Zellen; verschiedene Zellpopulationen sind in Magenta, Grün und Cyan markiert.

Synthetische lymphatische Gewebe

Zentrale Forschungsfragen

Welche mikroanatomischen Architekturen und mechanischen Eigenschaften fördern die T-Zell-Stimulation in Lymphknoten? Wie sammeln und integrieren T-Zellen Signale innerhalb der Lymphknoten? Wie können T-Zellen auf programmierbare, langanhaltende und kontrollierte Weise zu therapeutischen Zwecken aktiviert werden?

T-Zellen spielen eine entscheidende Rolle bei der Bekämpfung von Krankheiten und der Aufrechterhaltung einer langfristigen Immunität. Ihre Reifung ist ein präzise abgestimmter Prozess, der in den Lymphknoten, den zentralen Steuerzentren des Immunsystems, stattfindet. Diese Knoten bestimmen nicht nur, welche spezifischen T-Zell-Typen stimuliert werden, sondern schaffen auch die optimale Umgebung für deren Aktivierung, um eine gezielte und effektive Immunantwort sicherzustellen. Diese Reifung umfasst eine Abfolge von Ereignissen, darunter die initiale Stimulation, die monoklonale Expansion und die Differenzierung. Die Reihenfolge und Dauer dieser Schritte sind entscheidend für die Entwicklung einer vielfältigen T-Zell-Population und einer erfolgreichen adaptiven Immunantwort.


Während der T-Zell-Reifung verändert sich die zelluläre Mikroumgebung innerhalb der Lymphknoten fortlaufend, was zu Änderungen in den biochemischen und biomechanischen Eigenschaften der benachbarten Zellen führt. Solche Veränderungen, etwa eine Zunahme der Gewebesteifigkeit oder die Freisetzung zusätzlicher stimulierender Liganden, steuern die T-Zell-Reifung und fördern ihre Differenzierung. Beispielsweise kommt es während der T-Zell-Expansion in der Lymphknoten-Umgebung zu einer etwa dreifachen Erhöhung der Steifigkeit, und umliegende Zellen setzen vermehrt stimulierende Liganden und Zytokine wie IL-7 und CCL21 frei.


Bestehende in-vitro-Technologien zur T-Zell-Expansion können diese komplexe Abfolge der natürlichen Prozesse bislang jedoch nicht nachbilden. Unser Projekt zielt daher darauf ab, ex-vivo-Expansionsplattformen für T-Zellen zu entwickeln, die diese in-vivo-Prozesse nachahmen und Module zur Anpassung der T-Zell-Mikroumgebung unter Verwendung synthetischer Zellen integrieren. Mit diesem Ansatz wollen wir die Herstellung hochwertiger, therapeutisch wirksamer T-Zellen für die Immuntherapie gezielt verbessern.

Synthetische Tumornischen

Zentrale Forschungsfragen

Wie können sich Leukämiezellen in Lymphknoten verstecken? Welche Überlebens- und Resistenzsignale erhalten sie dort? Wie können wir ex-vivo-Systeme entwickeln, die diese relevanten Prozesse nachbilden und untersuchen?

Leukämie, eine Form von Blutkrebs, stellt nach wie vor eine große Herausforderung in der Onkologie dar. Obwohl viele Patientinnen und Patienten zunächst gut auf Behandlungen ansprechen und moderne Immuntherapien die Prognose deutlich verbessert haben, bleiben Rückfälle ein gravierendes Problem. Ein wesentlicher Grund dafür ist, dass bestimmte Leukämiezellen in den Lymphknoten Zuflucht finden. Unter normalen physiologischen Bedingungen bieten diese Knoten eine nährende Umgebung, in der weiße Blutzellen wachsen und sich vermehren können. Unter pathologischen Bedingungen können sie jedoch unbeabsichtigt zu Schutzräumen für therapieresistente Leukämiezellen werden.


In diesem Projekt wollen wir die zentralen Signale entschlüsseln, die Lymphknoten an ansässige Leukämiezellen senden und ihnen Therapieresistenz verleihen. Dazu konstruieren wir eigene synthetische Lymphknoten nach dem Bottom-up-Prinzip, deren biochemische und biophysikalische Eigenschaften gezielt an jene angepasst werden, die bei Leukämiepatienten beobachtet werden. Anschließende Behandlungen mit Chemotherapie und Antikörper-Immuntherapien ermöglichen es uns, zu untersuchen, inwiefern die Lymphknoten-Umgebung das Überleben von Krebszellen unterstützt. Dieses Vorhaben ist zwar in der Grundlagenforschung verankert, birgt jedoch großes Potenzial, vorhersagende Erkenntnisse für die translationale Medizin zu liefern.

Mikroskopische Aufnahme eines regelmäßigen Musters kleiner runder Zellaggregate oder Mikrokammern in einer geordneten Rasterstruktur.

Forschungsphilosophie

  1. Fundamentale Wissenschaft und technologische Fortschritte im Gleichgewicht: Im Zentrum unserer Arbeit steht ein tiefes Verständnis für die Bedeutung der Grundlagenforschung als Ausgangspunkt technologischer Innovationen. Gleichzeitig erkennen wir an, dass neue Technologien unser grundlegendes Verständnis biologischer Prozesse vertiefen und erweitern können. In dieser symbiotischen Beziehung vereint unser Labor sowohl die fundamentalen als auch die innovativen Aspekte der Lebenswissenschaften
  2. Synthetische Biologie & „Understanding by Design“: Das bloße Beobachten oder Manipulieren von Molekülen, Zellen und Organismen reicht nicht aus, um die Komplexität biologischer Systeme wirklich zu begreifen. Wir folgen den Prinzipien der synthetischen Biologie und vertreten einen „Understand-by-Design“-Ansatz. Indem wir biologische Systeme aus einer ingenieurwissenschaftlichen Perspektive betrachten, wollen wir quantitative Einsichten gewinnen und unser wissenschaftliches Denken durch neue empirische Evidenz stärken.
  3. Erkenntnis vor Daten: Obwohl datengetriebene Forschung das Fundament der Wissenschaft bildet, sind es oft die konzeptuellen Einsichten, die den größeren Wert besitzen. Wir glauben an die Kraft von Ideen und betonen die Bedeutung von Argumenten, die auf Experimenten und Mechanismen beruhen, anstatt lediglich Daten anzusammeln.

Über diese Grundpfeiler hinaus legt unser Labor großen Wert auf Zusammenarbeit. Wir fördern eine Umgebung, in der alle, unabhängig von ihrer Karrierestufe, dazu ermutigt werden, Ideen und konstruktive Kritik einzubringen. Offener Dialog ist unsere Stärke: Durch ehrliche und mitunter kontroverse Diskussionen entstehen neue bahnbrechende Erkenntnisse und Konzepte.

Unser übergeordnetes Ziel ist es, ein förderndes Umfeld zu schaffen, in dem Studierende ihr Potenzial entfalten und Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler alles erhalten, was sie brauchen, um neue Perspektiven zu entdecken.

Success stories

Obwohl unser Labor erst vor kurzer Zeit gegründet wurde, gehören wir bereits zur Spitze der Pioniere neuer Konzepte in der Synthetischen Biologie und Immuntherapie. Unsere Beiträge haben schon jetzt nachhaltige wissenschaftliche Wirkung entfaltet.

Beyond the Spike: Bahnbrechende Entdeckungen im Herzen einer Pandemie

Die COVID-19-Pandemie stellte uns alle vor enorme persönliche und wissenschaftliche Herausforderungen. Während Länder weltweit mit Lockdowns kämpften, intensivierten Wissenschaftler:innen ihre Bemühungen, die Geheimnisse des SARS-CoV-2-Virus zu entschlüsseln – auch wir leisteten unseren Beitrag.
Im Sommer 2020, zu Beginn der Pandemie, arbeiteten wir mit einem interdisziplinären Team der University of Bristol und des Max Planck Center Bristol (UK) zusammen. Dort gelang unseren Kolleg:innen eine bahnbrechende Entdeckung: Sie identifizierten die molekulare Struktur des SARS-CoV-2-Spike-Proteins, das unerwartet an eine Fettsäure, nämlich Linolsäure, bindet (Toelzer et al. (2020) Science).

Diese Entdeckung war von großer Bedeutung: Die Fettsäure „verriegelte“ das Spike-Protein und verhinderte so, dass das Virus Zellen infizieren konnte. Uns wurde schnell klar, welch tiefgreifende Konsequenzen dies für das Verständnis von COVID-19 haben könnte.
Mit dem Fortschreiten der Pandemie untersuchten wir die Rolle der Fettsäure-Bindungstasche genauer. Bemerkenswerterweise behielten alle auftretenden Virusvarianten diese Struktur bei. Mithilfe unseres Understand-by-Design-Ansatzes entwickelten wir gemeinsam mit dem Max Planck Center nicht-infektiöse, molekular definierte, minimale synthetische Varianten von SARS-CoV-2-Virionen. Dadurch konnten wir die Rolle der Fettsäure bei der Virus-Zell-Interaktion systematisch analysieren (Staufer et al. (2021) Nature Communications).

Unsere Forschung führte zu einem Modell, das den evolutionären Vorteil der Fettsäure-Bindungstasche erklärt: Sie schützt das Virus vor der Immunerkennung. Dieser molekulare Schalter moduliert die Infektiosität des Virus in Abhängigkeit von der lokalen Aktivität des Immunsystems und Entzündungsprozessen.
Unsere minimalen Virionen trugen zudem dazu bei, die Evolution und Diversität von SARS-CoV-2 besser zu verstehen (Gupta et al. (2021) Nature Communications) ) und gaben Aufschluss darüber, wie das Virus die Bildung immunologischer Synapsen hemmt (Onnis et al. (2022) Journal of Experimental Medicine).

Die Entdeckungen rund um die Fettsäure-Bindungstasche inspirierten schließlich die Gründung von Halo Therapeutics, einem britischen Unternehmen, das heute an Pan-Coronavirus-Therapien arbeitet – und kürzlich erfolgreich seine Series-A-Finanzierungsrunde abgeschlossen hat!

Zusammenfassend war unsere Reise sowohl herausfordernd als auch bereichernd: Wir konnten bahnbrechende wissenschaftliche Entdeckungen machen, spannende Diskussionen führen und neue Partnerschaften aufbauen – alles getragen von unserem Understand-by-Design-Ansatz. Diese Erfahrung belegt eindrucksvoll die Kraft von Zusammenarbeit und Innovation in Zeiten der Krise.

Synthetic Surge: Das Bauprinzip des Lebens im Zeitalter der neuen Biologie

Der Understand-by-Design-Ansatz ist in der Biologie kein neues Konzept. Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler:innen, zelluläres Leben nachzubilden. Doch erst mit dem Aufkommen fortgeschrittener molekularer Systemtechnik und der Fähigkeit, supramolekulare Systeme im Reagenzglas zu konstruieren, hat sich das Tempo dieser Entwicklung revolutionär beschleunigt. Heute können wir natürliche Zellen mit unterschiedlichen Funktionen – von der Zellteilung bis zur Immunregulation – gezielt nachahmen.
Mit diesen modernsten Werkzeugen hat weltweit ein Wettlauf um die Erzeugung synthetischer Zellen begonnen. Zahlreiche Labore und Initiativen verfolgen das gemeinsame Ziel, die ersten lebenden synthetischen Zellen zu schaffen. Während einige Gruppen sich auf die Grundlagen des Lebens konzentrieren, sehen andere in diesen kontrollierbaren Systemen Zukunftspotenziale für Nachhaltigkeit und Medizin.
Angeregt durch die SynCell-Konferenz 2021 und in enger Zusammenarbeit mit internationalen Partnern, haben wir es uns zur Aufgabe gemacht, diese weltweiten Bestrebungen zu bündeln. Gemeinsam mit jungen Wissenschaftler:innen aus den USA, Großbritannien, den Niederlanden, Spanien, Deutschland, Frankreich, Japan und Australien haben wir Strategien entwickelt, um die nächste Generation von Innovator:innen für dieses Forschungsfeld zu begeistern.
Unser Ziel geht über die bloße Erzeugung von Zellen hinaus: Wir möchten eine globale Community aufbauen, die synthetische Zellen und Organellen von Grund auf konstruiert! Wir haben Wege aufgezeigt, um die sozioökonomischen und technologischen Auswirkungen synthetischer Zellen zu verstärken, und betont, wie wichtig eine vernetzte, interdisziplinäre Forschungslandschaft ist (Staufer et al. (2021) eLife).

Durch den Austausch von Wissen und Ressourcen sowie die Initiierung von Bildungsprogrammen setzen wir uns für eine nachhaltige Zukunft dieses Forschungsfelds ein.


Unsere Reise, die Kontinente und Disziplinen verbindet, ist ein Zeugnis des kollaborativen Geistes der Wissenschaft. Die Leidenschaft und der Enthusiasmus der jungen Forscher:innen, die wir dabei erleben durften, sind eine große Inspiration – und ein eindrucksvoller Beweis dafür, wie lebendig und zukunftsweisend die synthetische Biologie heute ist.

Open position

We pride ourselves on being a diverse team, both culturally and scientifically. Our expertise spans a wide range of the natural sciences, including biophysics, immunology, advanced microscopy, microfluidics, nanotechnology, drug delivery, immunotherapy, virology, molecular biology, membranes, electrophysiology, cell biology, physical chemistry, and more. We invite you to reach out and become a part of our vibrant community.

Postdoctoral Researchers: We have fully-funded postdoc positions available. If you’re considering fellowships, we provide guidance and support for applications, including but not limited to the Marie Curie Fellowship, DFG Walter Benjamin Program, and the Feodor Lynen Fellowship by the Humboldt Foundation. We value your unique research ideas for other programs and offer constructive discussions within our group to help you craft a successful proposal. For postdoc opportunities, please get in touch by sending your interest statement to us directly.

PhD Candidates: We invite applications for our fully funded PhD positions. Our research projects are co-defined with students, emphasizing interdisciplinary training and state-of-the-art methods spanning biophysics, microfluidics, immunology, advanced microscopy, and 3D cell culturing. Send us your motivation letter and CV. We’re eager to hear about your research ideas and welcome you to explore them in our lab.

Master’s Students: We offer opportunities for master’s thesis projects in areas like synthetic cells, immunotherapy, organoids, and biomaterials. While these subjects have a predefined framework, we encourage students to add their unique perspective. Every master’s student is mentored directly by an experienced PhD candidate or postdoc.

High School Students: Unsure about your academic path? Curious about the dynamics of a research lab? We offer short-term research internships, providing a glimpse into the world of natural sciences. Join us and get a hands-on experience.

Publikationen

2024
Functional Integration of Synthetic Cells into 3D Microfluidic Devices for Artificial Organ-On-Chip Technologies

Hakami, Niki | Burgstaller, Anna | Gao, Ning | Rutz, Angela | Mann, Stephen | Staufer, Oskar

DOI:

Microfluidics plays a pivotal role in organ-on-chip technologies and in the study of synthetic cells, especially in the development and analysis of artificial cell models. However, approaches that use synthetic cells as integral functional components for microfluidic systems to shape the microenvironment of natural living cells cultured on-chip are not explored. Here, colloidosome-based synthetic cells are integrated into 3D microfluidic devices, pioneering the concept of synthetic cell-based microenvironments for organs-on-chip. Methods are devised to create dense and stable networks of silica colloidosomes, enveloped by supported lipid bilayers, within microfluidic channels. These networks promote receptor-ligand interactions with on-chip cultured cells. Furthermore, a technique is introduced for the controlled release of growth factors from the synthetic cells into the channels, using a calcium alginate-based hydrogel formation within the colloidosomes. To demonstrate the potential of the technology, a modular plug-and-play lymph-node-on-a-chip prototype that guides the expansion of primary human T cells by stimulating receptor ligands on the T cells and modulating their cytokine environment is presented. This integration of synthetic cells into microfluidic systems offers a new direction for organ-on-chip technologies and suggests further avenues for exploration in potential therapeutic applications.

DOI:

Advanced Healthcare Materials ,
2024, 13 (22), 2303334.

OPEN ACCESS
Minimal information for studies of extracellular vesicles (MISEV2023): From basic to advanced approaches

Welsh, Joshua A. | Goberdhan, Deborah C. I. | O’Driscoll, Lorraine | Buzas, Edit I. | Blenkiron, Cherie | Bussolati, Benedetta | Cai, Houjian | Di Vizio, Dolores | Driedonks, Tom A. P. | Erdbrügger, Uta | Falcon-Perez, Juan M. | Fu, Qing-Ling | Hill, Andrew F. | Lenassi, Metka | Lim, Sai Kiang | Mahoney, Mỹ G. | Mohanty, Sujata | Möller, Andreas | Nieuwland, Rienk | Ochiya, Takahiro | Sahoo, Susmita | Torrecilhas, Ana C. | Zheng, Lei | Zijlstra, Andries | Abuelreich, Sarah | Bagabas, Reem | Bergese, Paolo | Bridges, Esther M. | Brucale, Marco | Burger, Dylan | Carney, Randy P. | Cocucci, Emanuele | Crescitelli, Rossella | Hanser, Edveena | Harris, Adrian L. | Haughey, Norman J. | Hendrix, An | Ivanov, Alexander R. | Jovanovic-Talisman, Tijana | Kruh-Garcia, Nicole A. | Ku’ulei-Lyn Faustino, Vroniqa | Kyburz, Diego | Lässer, Cecilia | Lennon, Kathleen M. | Lötvall, Jan | Maddox, Adam L. | Martens-Uzunova, Elena S. | Mizenko, Rachel R. | Newman, Lauren A. | Ridolfi, Andrea | Rohde, Eva | Rojalin, Tatu | Rowland, Andrew | Saftics, Andras | Sandau, Ursula S. | Saugstad, Julie A. | Shekari, Faezeh | Swift, Simon | Ter-Ovanesyan, Dmitry | Tosar, Juan P. | Useckaite, Zivile | Valle, Francesco | Varga, Zoltan | van der Pol, Edwin | van Herwijnen, Martijn J. C. | Wauben, Marca H. M. | Wehman, Ann M. | Williams, Sarah | Zendrini, Andrea | Zimmerman, Alan J. | MISEV Consortium | Théry, Clotilde | Witwer, Kenneth W. | Staufer, Oskar

DOI:

Abstract Extracellular vesicles (EVs), through their complex cargo, can reflect the state of their cell of origin and change the functions and phenotypes of other cells. These features indicate strong biomarker and therapeutic potential and have generated broad interest, as evidenced by the steady year-on-year increase in the numbers of scientific publications about EVs. Important advances have been made in EV metrology and in understanding and applying EV biology. However, hurdles remain to realising the potential of EVs in domains ranging from basic biology to clinical applications due to challenges in EV nomenclature, separation from non-vesicular extracellular particles, characterisation and functional studies. To address the challenges and opportunities in this rapidly evolving field, the International Society for Extracellular Vesicles (ISEV) updates its ‘Minimal Information for Studies of Extracellular Vesicles’, which was first published in 2014 and then in 2018 as MISEV2014 and MISEV2018, respectively. The goal of the current document, MISEV2023, is to provide researchers with an updated snapshot of available approaches and their advantages and limitations for production, separation and characterisation of EVs from multiple sources, including cell culture, body fluids and solid tissues. In addition to presenting the latest state of the art in basic principles of EV research, this document also covers advanced techniques and approaches that are currently expanding the boundaries of the field. MISEV2023 also includes new sections on EV release and uptake and a brief discussion of in vivo approaches to study EVs. Compiling feedback from ISEV expert task forces and more than 1000 researchers, this document conveys the current state of EV research to facilitate robust scientific discoveries and move the field forward even more rapidly.

DOI:

Journal of extracellular vesicles ,
2024, 13 (2), e12404.

OPEN ACCESS
Soft Synthetic Cells with Mobile Membrane Ligands for Ex Vivo Expansion of Therapy-Relevant T Cell Phenotypes

Burgstaller, Anna | Piernitzki, Nils | Küchler, Nadja | Koch, Marcus | Kister, Thomas | Eichler, Hermann | Kraus, Tobias | Schwarz, Eva C. | Dustin, Michael | Lautenschlaeger, Franziska | Staufer, Oskar

DOI:

The expansion of T cells ex vivo is crucial for effective immunotherapy but currently limited by a lack of expansion approaches that closely mimic in vivo T cell activation. Taking inspiration from bottom-up synthetic biology, a new synthetic cell technology is introduced based on dispersed liquid-liquid phase-separated droplet-supported lipid bilayers (dsLBs) with tunable biochemical and biophysical characteristics, as artificial antigen presenting cells (aAPCs) for ex vivo T cell expansion. These findings obtained with the dsLB technology reveal three key insights: first, introducing laterally mobile stimulatory ligands on soft aAPCs promotes expansion of IL-4/IL-10 secreting regulatory CD8+ T cells, with a PD-1 negative phenotype, less prone to immune suppression. Second, it is demonstrated that lateral ligand mobility can mask differential T cell activation observed on substrates of varying stiffness. Third, dsLBs are applied to reveal a mechanosensitive component in bispecific Her2/CD3 T cell engager-mediated T cell activation. Based on these three insights, lateral ligand mobility, alongside receptor- and mechanosignaling, is proposed to be considered as a third crucial dimension for the design of ex vivo T cell expansion technologies.

DOI:

Small ,
2024, 20 (37), 2401844.

OPEN ACCESS
Synthetic Immunology—Building Immunity from the Bottom-Up with Synthetic Cells

Staufer, Oskar

DOI:

Synthetic cells can advance immunotherapy, offering innovative approaches to understanding and enhancing immune responses. This review article delves into the advancements and potential of synthetic cell technologies in immunology, emphasizing their role in understanding and manipulating immune functions. Recent progress in understanding vertebrate immune systems and the challenges posed by diseases highlight the need for innovative research methods, complementing the analysis of multidimensional datasets and genetic engineering. Synthetic immune cell engineering aims to simplify the complexity of immunological systems by reconstructing them in a controlled setting. This approach, alongside high-throughput strategies, facilitates systematic investigations into immunity and the development of novel treatments. The article reviews synthetic cell technologies, focusing on their alignment with the three laws of immunity: universality, tolerance, and appropriateness. It explores the integration of synthetic cell modules to mimic processes such as controlled T-cell activation, bacteria engulfment and elimination, or cellular maturation into desirable phenotypes. Together, such advancements expand the toolbox for understanding and manipulating immune functions. Synthetic cell technologies stand at the innovation crossroads in immunology, promising to illuminate fundamental immune system principles and open new avenues for research and therapy.

DOI:

Advanced NanoBiomed Research ,
2024, 4 (9), 2400037.

OPEN ACCESS
2023
In vitro generated antibodies guide thermostable ADDomer nanoparticle design for nasal vaccination and passive immunization against SARS-CoV-2

Buzas, Dora | Bunzel, Adrian | Staufer, Oskar | Milodowski, Emily J. | Edmunds, Grace L. | Bufton, Joshua | Vidana Mateo, Beatrice V. | Yadav, Sathish K.N. | Gupta, Kapil | Fletcher, Charlotte | Williamson, Maia K. | Harrison, Alexandra | Borucu, Ufuk | Capin, Julien | Francis, Ore | Balchin, Georgia | Hall, Sophie | Vega, Mirella V. | Durbesson, Fabien | Lingappa, Srikanth | Vincentelli, Renaud | Roe, Joe | Wooldridge, Linda | Burt, Rachel | Anderson, Ross J. L. | Mulholland, Adrian | Bristol UNCOVER Group | Hare, Jonathan | Bailey, Mick | Davidson, Andrew D. | Finn, Adam | Morgan, David | Mann, Jamie | Spatz, Joachim | Garzoni, Frederic

DOI:

Background: Due to COVID-19, pandemic preparedness emerges as a key imperative, necessitating new approaches to accelerate development of reagents against infectious pathogens. Methods: Here, we developed an integrated approach combining synthetic, computational and structural methods with in vitro antibody selection and in vivo immunization to design, produce and validate nature-inspired nanoparticle-based reagents against severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2).
Results: Our approach resulted in two innovations: (i) a thermostable nasal vaccine called ADDoCoV, displaying multiple copies of a SARS-CoV-2 receptor binding motif derived epitope and (ii) a multivalent nanoparticle superbinder, called Gigabody, against SARS-CoV-2 including immune-evasive variants of concern (VOCs). In vitro generated neutralizing nanobodies and electron cryo-microscopy established authenticity and accessibility of epitopes displayed by ADDoCoV. Gigabody comprising multimerized nanobodies prevented SARS-CoV-2 virion attachment with picomolar EC50. Vaccinating mice resulted in antibodies cross-reacting with VOCs including Delta and Omicron.
Conclusion: Our study elucidates Adenovirus-derived dodecamer (ADDomer)-based nanoparticles for use in active and passive immunization and provides a blueprint for crafting reagents to combat respiratory viral infections.

DOI:

Antibody therapeutics ,
2023, 6 (4), 277-297.

OPEN ACCESS
Evolutionary design of explainable algorithms for biomedical image segmentation

Cortacero, Kévin | McKenzie, Brienne | Müller, Sabina | Khazen, Roxana | Lafouresse, Fanny | Corsaut, Gaelle | Van Acker, Nathalie | Frenois, Francois-Xavier | Lamant, Laurence | Meyer, Nicolas | Vergier, Béatrice | Wilson, Dennis G. | Luga, Hervé | Staufer, Oskar | Dustin, Michael L. | Valitutti, Salvatore | Cussat-Blanc, Sylvain

DOI:

An unresolved issue in contemporary biomedicine is the overwhelming
number and diversity of complex images that require annotation, analysis and
interpretation. Recent advances in Deep Learning have revolutionized the field
of computer vision, creating algorithms that compete with human experts in
image segmentation tasks. However, these frameworks require large human-
annotated datasets for training and the resulting “black box” models are dif-
ficult to interpret. In this study, we introduce Kartezio, a modular Cartesian
Genetic Programming-based computational strategy that generates fully
transparent and easily interpretable image processing pipelines by iteratively
assembling and parameterizing computer vision functions. The pipelines thus
generated exhibit comparable precision to state-of-the-art Deep Learning
approaches on instance segmentation tasks, while requiring drastically smaller
training datasets. This Few-Shot Learning method confers tremendous flex-
ibility, speed, and functionality to this approach. We then deploy Kartezio to
solve a series of semantic and instance segmentation problems, and demon-
strate its utility across diverse images ranging from multiplexed tissue histo-
pathology images to high resolution microscopy images. While the flexibility,
robustness and practical utility of Kartezio make this fully explicable evolu-
tionary designer a potential game-changer in the field of biomedical image
processing, Kartezio remains complementary and potentially auxiliary to
mainstream Deep Learning approaches.

DOI:

Nature Communications ,
2023, 14 7112.

OPEN ACCESS