Forskare vid Pritzker School of Molecular Engineering och Institutionen för kemi vid University of Chicago har konstruerat små, snurrande mikrorobotar som binder till immunceller för att undersöka deras funktion. Roboten, eller "hexapod", ger forskare ett nytt, mycket anpassningsbart sätt att studera immunceller och att hjälpa till med utformningen av immunterapier mot cancer, infektioner eller autoimmuna sjukdomar.
Varje hexapodrobot har sex armar som innehåller molekyler som kan kännas igen som främmande av immunsystemet – som proteinfragment från en tumör, virus eller bakterie. Forskare kan använda hexapoderna för att skanna stora samlingar av immunceller och upptäcka vilka immunceller som binder de främmande molekylerna av intresse och hur hexapodernas rörelser påverkar den bindningen.
"Många aspekter av vilka immunceller och hur immunmolekyler känner av patogener förblir okänt territorium, och nu har vi det här nya verktyget som hjälper oss att förstå de molekylära interaktionerna", säger Jun Huang, docent i molekylär teknik vid Pritzker Molecular Engineering och co-senior författare till den nya artikeln, publicerad i Nature Methods .
"Forskare använder ofta biomaterial för att studera och manipulera immunförsvaret, men vi har utvecklat ett sätt att använda oorganiska material, vilket är ett otroligt outforskat område", säger Bozhi Tian, professor i kemi och den andra medförfattaren. "Fördelen med dessa material är att vi kan ändra deras egenskaper på många fler sätt."
T-celler är en typ av vita blodkroppar som ansvarar för att känna igen främmande patogener som har bearbetats av dendritiska celler - immunceller med långa förgrenade armar som fångar patogener och visar bitar av patogenernas molekyler på deras yta. Det finns biljoner distinkta T-celler i en persons kropp, var och en med olika T-cellsreceptorer som är finjusterade för att känna igen en patogen molekyl (antigen) på en dendritisk cell.
Forskare som vill stärka immunsystemets förmåga att bekämpa ett visst antigen vill ofta veta vilken T-cell som känner igen den patogenen. Men att hitta den exakta matchningen bland biljonerna T-celler är som att hitta en nål i en höstack.
"Människor har utvecklat sätt att göra detta, men de förlitar sig mest på om en T-cellsreceptor binder ett antigen", säger Xiaodan Huang, en av de första författarna till uppsatsen. "Eftersom vissa T-cellsreceptorer kan binda till ett antigen utan att sedan provocera fram ett starkt immunsvar i cellen, visste vi att detta inte var en perfekt proxy."
Tidigare plattformar för att studera T-celler kunde inte heller efterlikna den fysiska kraftens roll i interaktionen mellan dendritiska celler och T-cellsreceptorer; de förlitade sig i allmänhet på isolerade antigener som inte beter sig som en levande dendritisk cell.
För att övervinna dessa utmaningar designade forskarna en liten robotmimik för en dendritisk cell. Botten har en central, snurrande magnetisk kärna och sex armar gjorda av kiseldioxid (föreningen som mest sand består av) till vilka antigener kan fästas.
Tian och Huangs labbgrupper använde kända antigen-T-cellreceptorpar för att testa hexapodens effektivitet. De satte kopior av antigenet på alla sex ben och sänkte sedan ner hexapoden i blandningar av T-celler. Även när den matchande T-cellen fanns i små mängder bland många andra T-celler, band hexapoderna endast den korrekta cellen.
"Vi var otroligt nöjda med hur väl systemet fungerade", säger Lingyuan Meng, en av de första författarna till tidningen. "Det faktum att den kunde välja ut rätt T-celler med så hög noggrannhet överträffade våra förväntningar."
Dessutom visade forskargruppen att de kunde analysera det resulterande immunsvaret i T-cellerna som band till hexapoden. Till exempel, när två olika T-celler band till hexapoden, kunde de avgöra vilket som ledde till starkare immunaktivitet. Gruppen fann också att kraften som utövades av den snurrande hexapoden ledde till starkare immunsvar än när samma T-celler band till statiska antigener.
"Vi skulle nu vilja börja tillämpa detta på andra antigener, inklusive de från mänskliga cancerformer och patogener," sa Huang. "Det finns många frågor, både grundläggande vetenskapliga frågor och kliniskt relevanta sådana, som kan utforskas med dessa hexapods."
Till exempel kan hexapoderna användas för att identifiera de T-celler som reagerar starkast på vissa antigener.
Mer information: Xiaodan Huang et al, Multimodal probing of T-cell recognition with hexapod heterostructures, Naturmetoder (2024). DOI:10.1038/s41592-023-02165-7
Tillhandahålls av University of Chicago
