Snurrende, magnetiske mikrorobotter hjælper forskere med at undersøge genkendelse af immunceller

Forskere ved Pritzker School of Molecular Engineering og Institut for Kemi ved University of Chicago har konstrueret bittesmå, roterende mikrorobotter, der binder sig til immunceller for at undersøge deres funktion. Robotten, eller "hexapod", giver forskerne en ny, meget tilpasningsdygtig måde at studere immunceller på og til at hjælpe med udformningen af ​​immunterapier mod cancer, infektion eller autoimmune sygdomme.

Hver hexapod-robot har seks arme, der indeholder molekyler, der kan genkendes som fremmede af immunsystemet - såsom proteinfragmenter fra en tumor, virus eller bakterie. Forskere kan bruge hexapoderne til at scanne store samlinger af immunceller og opdage, hvilke immunceller der binder de fremmede molekyler af interesse, og hvordan hexapodernes bevægelser påvirker denne binding.

"Tallige aspekter af hvilke immunceller og hvordan immunmolekyler registrerer patogener forbliver ukendt territorium, og nu har vi dette nye værktøj til at hjælpe os med at forstå de molekylære interaktioner," sagde Jun Huang, lektor i molekylær ingeniørvidenskab ved Pritzker Molecular Engineering og co-senior forfatter til det nye papir, udgivet i Nature Methods .

"Forskere bruger ofte biomaterialer til at studere og manipulere immunsystemet, men vi har udviklet en måde at bruge uorganiske materialer på, hvilket er et utroligt uudforsket område," sagde Bozhi Tian, ​​professor i kemi og den anden med-senior forfatter. "Fordelen ved disse materialer er, at vi kan ændre deres egenskaber på mange flere måder."

En 'T-celle' i en høstak

T-celler er en type hvide blodlegemer, der er ansvarlige for at genkende fremmede patogener, der er blevet behandlet af dendritiske celler - immunceller med lange forgrenede arme, der fanger patogener og viser bits af patogenernes molekyler på deres overflade. Der er billioner af forskellige T-celler i en persons krop, hver med en anden T-cellereceptor, der er finjusteret til at genkende et patogent molekyle (antigen) på en dendritisk celle.

Forskere, der ønsker at styrke immunsystemets magt til at bekæmpe et bestemt antigen, ønsker ofte at vide, hvilken T-celle der genkender det patogen. Men at finde det nøjagtige match blandt trillioner af T-celler er som at finde en nål i en høstak.

"Folk har udviklet måder at gøre dette på, men de er for det meste afhængige af, om en T-cellereceptor binder et antigen," sagde Xiaodan Huang, en af ​​de første forfattere af papiret. "Da nogle T-cellereceptorer kan binde til et antigen uden derefter at fremkalde et stærkt immunrespons i cellen, vidste vi, at dette ikke var en perfekt proxy."

Tidligere platforme til at studere T-celler kunne heller ikke efterligne den fysiske krafts rolle i samspillet mellem dendritiske celler og T-cellereceptorer; de var generelt afhængige af isolerede antigener, der ikke opfører sig som en levende dendritisk celle.

En robot dendritisk celle

For at overvinde disse udfordringer designede forskerne en lille robot-mimik til en dendritisk celle. Botten har en central, roterende magnetisk kerne og seks arme lavet af siliciumdioxid (den forbindelse, som det meste sand er sammensat af), som antigener kan bindes til.

Tian og Huangs laboratoriegrupper brugte kendte antigen-T-celle-receptorpar til at teste effektiviteten af ​​hexapoden. De satte kopier af antigenet på alle seks ben og nedsænkede derefter hexapoden i blandinger af T-celler. Selv når den matchende T-celle var til stede i små mængder blandt mange andre T-celler, bandt hexapoderne kun den korrekte celle.

"Vi var utroligt glade for, hvor godt systemet fungerede," sagde Lingyuan Meng, en af ​​de første forfattere af papiret. "Det faktum, at det kunne udvælge de rigtige T-celler med så høj en nøjagtighed, oversteg vores forventninger."

Derudover viste forskerholdet, at de kunne analysere det resulterende immunrespons i de T-celler, der bandt sig til hexapoden. For eksempel, når to forskellige T-celler bandt til hexapoden, kunne de bestemme, hvad der førte til stærkere immunaktivitet. Gruppen fandt også ud af, at kraften udøvet af den roterende hexapod førte til stærkere immunreaktioner, end når de samme T-celler bandt til statiske antigener.

"Vi vil nu gerne begynde at anvende dette på andre antigener, inklusive dem fra humane kræftformer og patogener," sagde Huang. "Der er en masse spørgsmål, både grundlæggende videnskabelige spørgsmål og klinisk relevante spørgsmål, der kan udforskes ved hjælp af disse hexapoder."

For eksempel kunne hexapoderne bruges til at identificere de T-celler, der reagerer stærkest på visse antigener.

Flere oplysninger: Xiaodan Huang et al., Multimodal sondering af T-celle-genkendelse med hexapod-heterostrukturer, Naturmetoder (2024). DOI:10.1038/s41592-023-02165-7

Leveret af University of Chicago