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设计人员微型机器人与免疫系统之间的相互作用动力学

现在,可以在实验室中对移动医疗微型机器人进行工程设计,以实现从个性化疾病治疗到靶向药物输送的广泛应用。在进行结构设计时,生物工程师的目标是通过优化设备的形态(形状)及其表面化学性质,以最大程度减少与免疫系统细胞的物理相互作用。因此,重要的是要了解这些参数对有效的,面向目标的运动和低免疫原性的贡献之间的相互作用。在现在发表在《科学机器人》上的新报告中,马克斯·普朗克智能系统研究所以及德国和土耳其的Koç大学的Immihan Ceren Yasa以及物理智能,医学和工程研究团队研究了可磁控双螺旋微扫描仪的相互作用。

甲biohybrid微型机器人集成了非活体内的活的微生物探索耦合到致动的其属性的微生物中,感测和运动的固有机械。组合的体系结构可以利用微环境中的生物燃料来执行特定任务,例如货物运输,针对性治疗和操纵。这项工作中的微型机器人具有与小鼠巨噬细胞细胞系(吞噬细胞 /白血球的一种类型)整合的不断变化的螺旋形状。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引发了免疫反应基于微游泳者的螺旋转数。这项工作表明了在医用微型机器人开发过程中同时考虑运动性能和免疫细胞相互作用的结构优化的重要性。巨噬细胞-微掠物杂交体为开发生物杂交微机器人提供了独特的工程机会,该机器人将合成微掠物的移动性和巨噬细胞的免疫调节能力结合在一起,用于靶向免疫治疗应用。

免疫机器人的结构设计和参数

在进入目标组织的过程中,微泳者必须克服许多障碍,包括血脑屏障,粘膜和内皮,这些障碍可以提醒他们作为免疫系统的“威胁”。Yasa等。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来常规测试生物医学中未来的机器人设计。该团队将生物杂交微型机器人称为“免疫机器人”,即一种磁性驱动的生物活化巨噬细胞,带有吞噬的合成磁性,螺旋微掠。在实验过程中,他们选择了带有2圈和10圈螺旋的微扫描器,并使用3维(3-D)进行微打印。双光子聚合。

在3D打印过程中,他们使用了聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)和光引发剂的预聚物溶液作为成分,并通过用100 nm厚的镍和50 nm厚的溅射膜对它们进行磁化处理金膜,然后进行硫醇修饰的PEG表面修饰。表面修饰可最大程度地减少与免疫系统的意外化学相互作用,从而使科学家能够单独剖析结构效应对免疫反应的影响。Yasa等。施加旋转磁场以通过围绕螺旋轴施加扭矩来控制和推动微游泳者,其中基于扭矩的磁推进使微型游泳者沿着指定的轨迹行驶。在测试了免疫机器人在缓冲溶液中的游泳性能后,他们观察到了从小鼠身上获得的全血中的微泳器,以进行进一步的研究。根据游泳速度和滚动特性,在缓冲液和全血中,带有螺旋的微游泳器在两圈内的性能要大于五圈,随后大于十圈的螺旋型微型机器人。

微泳者和巨噬细胞的相互作用

在纳米医学中,科学家可以调整颗粒的物理性质,以免被宿主识别或控制应用的免疫反应。先天性免疫防御反应的主要机制是巨噬细胞的吞噬作用,这取决于靶标颗粒的大小和几何形状。当巨噬细胞内化微游泳器时,它们并没有降解螺旋,从而提供长期的机器人任务执行。研究小组有条不紊地改变了微游泳器主轴上的螺旋转数,同时保持其体量,以电子,光学和共聚焦显微镜检查小鼠巨噬细胞系及其内在货物的相互作用。基于巨噬细胞封装的表面结合微游泳器的延时电影,他们揭示了机器人微体系结构的影响。在吞噬过程中,微游泳者进入巨噬细胞池中进行稳定的定向,此过程平均需要20分钟才能完成两圈微游泳者。对于5圈和10圈微型游泳者,此过程最多需要4个小时。吞噬成功后,巨噬细胞继续随其内部货物爬行。这些发现凸显了优化的形状如何增强运动性能,同时又影响了微游泳器的免疫原性,适用于医学中的多种应用。

螺旋游泳者的免疫原性反应

然后,Yasa和同事研究了微游泳器的免疫原性,方法是将其呈现给小鼠脾脏细胞,这些脾脏细胞包含各种白细胞,例如巨噬细胞和淋巴细胞。典型地,微泳者会遇到活化的免疫细胞,例如脂多糖(LPS),其刺激巨噬细胞的表面受体分泌促炎细胞因子以引起炎性反应。在这项工作中,具有出色移动性的微泳器诱导了白细胞介素12的高产量,白细胞介素12是调节细胞固有免疫和适应性免疫的重要细胞因子。研究小组进一步指出了T细胞和B细胞的积累当它们使微泳器内部化时,它们围绕巨噬细胞;提示特定的免疫反应。尽管两转微游泳机的运动速度最高,但与五转和十转微游泳机相比,它们具有最高的免疫原性,因此,研究小组建议在免疫力强的部位使用两转微游泳机,速度要快一些。作为中枢神经系统和眼睛。他们建议使用较低速度的结构来获得其他地方生物部位免疫系统的相对隐身性。

然后,研究小组将机械生物学或物理力及其对细胞力学的影响视为微型机器人设计过程中的另一个重要参数。他们评估了微型机器人的表面化学,以了解其运动性,性能和免疫原性。虽然单个巨噬细胞可容纳小型微游生物形成生物杂交体,但人们认为巨型细胞会内化较大的微游生物。尽管免疫机器人显示出不间断的运动,但单个微游泳者自身的效率并不高。Yasa等。展示了其主要工作原型的其他变体,尽管在这两种设计类型中,外部施加的磁场都驱使免疫机器人运动。

这项工作将对癌症免疫疗法产生重大影响,这已经彻底改变了肿瘤学领域,以满足针对靶向递送免疫调节化合物以消灭癌细胞的不断增长的需求。。在这种情况下,Yasa及其同事的目标是偏离原始的隐形方法,使免疫系统看不见它,而将精力集中在与免疫系统共同对抗肿瘤上。因此,这项工作将对设计和开发多功能,多功能的生物杂交系统提出新的挑战,该团队设想使用相同的基本设计原理进行开发。这项工作还将为使用利用患者自身巨噬细胞功能化的生物杂交微型机器人设计先进的个性化医学方法铺平道路。

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