设计微型机器人和免疫系统之间的交互动力学

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设计微型机器人和免疫系统之间的交互动力学

移动医学微型机器人现在可以在实验室中被设计用于从个性化疾病治疗到靶向药物输送的广泛应用。在结构设计过程中,生物工程师的目标是通过优化设备的形态(形状)和表面化学来最小化与免疫系统细胞的物理相互作用。因此,了解这些参数对有效、目标导向运动和低免疫原性的贡献之间的相互作用是很重要的。在一份最新发表在《科学机器人》杂志上的报告中,来自德国和土耳其马克斯·普朗克智能系统研究所和Koc大学的Immihan Ceren Yasa和一个物理智能、医学和工程研究团队调查了可磁化操纵的双螺旋微泳者之间的相互作用。

一个生物杂交微型机器人集成了一个活的微生物在一个非生命的身体,以探索结合其驱动、感知和运动特性的微生物的内在机械。这种组合结构可以利用微环境中的生物燃料来执行特定的任务,如货物运送、靶向治疗和操作。这项工作中的微型机器人与小鼠巨噬细胞系(吞噬细胞/白细胞的一种类型)结合后具有变化的螺旋形状。生活微环境中的巨噬细胞和脾细胞(两种类型的白细胞)识别出生物杂交微机器人,并根据微游泳者的螺旋轮数引发免疫应答。这项工作表明,在医学微机器人开发过程中,同时考虑运动性能的结构优化和免疫细胞的相互作用具有重要意义。巨噬细胞和微游泳者的杂交为开发生物杂交微机器人提供了一个独特的工程机会,将合成微游泳者的移动性和巨噬细胞的免疫调节能力结合起来,用于靶向免疫治疗。

免疫机器人的结构设计和参数

在它们冲向目标组织的过程中,微泳者必须克服许多障碍,包括血脑屏障、粘膜和内皮,这些障碍会警告它们的存在,将对免疫系统构成“威胁”。Yasa等人研究了磁性微游泳器与免疫系统细胞的相互作用,并设计了一种基准方法,用于常规测试未来生物医学机器人设计。研究小组将这种生物杂交微型机器人称为“免疫机器人”——一种由磁性驱动并具有生物活性的巨噬细胞,带有一个被吞噬的合成磁性螺旋状微游泳体。在实验中,他们选择了两个和10个螺旋的微泳器,并用双光子聚合技术在三维(3-D)上进行了微印。

在3-D打印过程中,他们使用聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA)预聚溶液和光引发剂作为成分,通过溅射涂覆100纳米厚的镍和50纳米厚的金薄膜来磁化打印的结构,然后对硫醇改性PEG进行表面修饰。表面修饰最小化了与免疫系统的化学反应,使科学家们能够单独分析结构效应对免疫反应的影响。Yasa等人利用旋转磁场通过在螺旋轴上施加扭矩来控制和推动微泳者,在螺旋轴上基于力矩的磁推进使微泳者沿着指定的轨迹前进。在测试了免疫机器人在缓冲溶液中的游泳表现后,他们观察了从小鼠身上提取的新鲜血液中的微生物,以供进一步研究。基于游泳速度和滚动性能,在缓冲液和全血条件下,带螺旋的微游泳者在2圈内的性能均大于5圈,随后螺旋微机器人的性能均大于10圈。

微生物和巨噬细胞的相互作用

在纳米医学中,科学家可以调整粒子的物理特性,以避免被宿主识别或控制应用中的免疫反应。先天免疫防御反应的主要机制是巨噬细胞的吞噬作用,这取决于目标粒子的大小和几何形状。当巨噬细胞将微泳体内化时,它们不会降解螺旋,从而提供了长期的机器人任务执行。研究小组通过电子显微镜、光学显微镜和共聚焦显微镜,在保持小鼠巨噬细胞细胞系的体积的同时,有系统地改变微泳者主轴的螺旋旋转数,以检测小鼠巨噬细胞细胞系及其内化货物的相互作用。基于巨噬细胞封装的表面微游泳者的延时电影,他们揭示了机器人微结构的影响。在吞噬过程中,微游泳者进入巨噬细胞稳定定位,两圈微游泳者平均耗时20分钟。对于5圈和10圈的微泳者来说,这个过程需要4个小时。成功吞噬后,巨噬细胞继续爬行与他们的内部货物。这些发现强调了优化的形状如何增强运动性能,同时影响免疫原性的微生物游泳,适合各种医学应用。

螺旋形游泳者的免疫原性反应

然后,Yasa和同事通过将微泡菌呈递给小鼠原代脾细胞,研究了微泡菌的免疫原性。原代小鼠脾细胞含有多种白细胞,如巨噬细胞和淋巴细胞。通常,微泳者会遇到活化的免疫细胞,如脂多糖(LPS),刺激巨噬细胞的表面受体分泌促炎细胞因子进行炎症反应。在这项研究中,具有良好流动性的微游泳诱导了更多的白细胞介素-12的产生,白细胞介素-12是调节细胞固有和适应性免疫的重要细胞因子。研究小组进一步注意到,当他们将微泳体内在化时,巨噬细胞周围有T细胞和B细胞的聚集;提示一种特殊的免疫反应虽然两圈游泳运动员的运动速度最快,但与五圈和十圈游泳运动员相比,他们的免疫原性最强,因此该团队推荐在免疫优势部位(如中枢神经系统和眼睛)使用速度更快的两圈游泳运动员。他们建议使用速度较慢的结构来获得相对于其他生物部位的免疫系统的不可见性。

关于游泳和免疫原性的微机器人缠结设计参数及原理验证免疫机器人

在设计微型机器人的过程中,该团队将机械生物学或物理力及其对细胞力学的影响作为另一个重要参数。他们评估了微机器人的表面化学,以了解它的运动、性能和免疫原性。单个巨噬细胞可以容纳小的微细胞形成生物杂交体,而巨细胞则被认为内在化较大的微细胞。当免疫机器人表现出不间断的运动时,单个的微游泳者自身的效率并不高。Yasa等人演示了他们主要工作原型的额外变化,尽管在两种设计类型中,外部施加的磁场推动免疫机器人的运动。

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