NK Cell Cytotoxicity at the Single Cell Level

Natural killer (NK) cells are innate immune cells with the ability to recognize and eliminate virally infected cells and cancer cells without prior sensitization. There is a functional heterogeneity between individual NK cells, where some NK cells are more efficient at killing cancer cells than others. Methods that allow studies of single NK cells are required to understand the functional differences and how they correlate with the activation and development status of the NK cell. This thesis focuses on the development and implementation of microchip- based imaging of NK cells, which is covered in five papers. Paper I presents a microchip screening platform for assessment of the cytotoxic potential of individual NK cells, by confining single NK cells together with target cells in microwells, followed by microscopy screening over extended time periods and automated image analysis. In paper II, the microchip platform was applied to test the ability of a novel trispecific killer engager (TriKE) to mediate an NK cell-dependent immune response. The process of NK cell education was studied in paper III and for that the image analysis methods for the microchip platform was further developed, in order to reveal new insight into how the education process affects the cytotoxic function of single NK cells. In paper IV, a previously developed microchip assay was extended to study NK cell migration and cytotoxicity in a more in vivo-like 3D collagen matrix. Paper V shows how NK cells can eliminate platelets in the presence of anti-platelet antibodies. In summary, this thesis covers the development and applications of time- lapse imaging using microwells for studying important NK cell functions in different settings. Understanding NK cell heterogeneity has the potential for improving e.g. cancer cell therapies.NK-celler tillhör det ospecifika immunförsvaret och har som uppgift att hitta och eliminera virusinfekterade celler och tumörceller. Det har visat sig att NK-celler är funktionellt heterogena, vilket leder till att vissa NK- celler dödar tumörceller mer effektivt än andra. För att förstå dessa funktionella skillnader och hur de är kopplade till t.ex. cellernas mognad och aktivering, krävs metoder som gör det möjligt att studera NK-celler på encellsnivå. Denna avhandling fokuserar på utveckling och implementering av mikrochipbaserad avbildning av NK-celler, vilket behandlas i fem artiklar. I artikel I presenteras en mikrochipplattform som används för att studera den cytotoxiska potentialen hos enskilda NK-celler. Detta genom att fånga upp enstaka NK-celler tillsammans med tumörceller i tiotusentals mikrobrunnar och därefter avbilda dem i mikroskop under längre tider med efterföljande automatiserad bildanalys. I artikel II används mikrochipplattformen för att studera funktionen hos en nyutvecklad molekyl (TriKE), som både binder till tumörcellen samtidigt som den aktiverar NK-cellen. I artikel III används mikrochipplattformen för att studera en viktig process där NK celler ”utbildas” för att lära sig skilja mellan tumörceller och normala celler. I artikel IV används en större variant av mikrobrunnarna för att kunna återskapa en in vivo-liknande miljö för NK-cellerna genom att bädda in dem i en tredimensionell kollagenmatris. Artikel V visar hur NK-celler kan eliminera blodplättar i närvaro av antikroppar. Sammanfattningsvis handlar denna avhandling om utveckling och tillämpningar av mikroskopisk avbildning av levande NK-celler med hjälp av mikrobrunnar i syfte att studera dess viktiga funktioner under olika förhållanden. Ökad kunskap om NK-cellernas heterogenitet har potentialen att förbättra effektiviteten hos t.ex. cellterapier