Makrofager är celler som är viktiga för immunsystemet och kan möjligen informera cellbaserade terapier för en mängd olika medicinska tillstånd. Men att förverkliga den fulla potentialen av makrofagterapier är beroende av att kunna se vad dessa cellulära allierade gör i våra kroppar, och ett team av Penn State-forskare kan ha utvecklat ett sätt att se dem göra sitt.

I en studie publicerad i tidskriften Small , forskare från Penn State rapporterar en ny ultraljudsteknik för att titta på makrofager kontinuerligt i däggdjursvävnad, med potential för mänsklig användning i framtiden.

"En makrofag är en typ av immuncell som är viktig i nästan alla funktioner i immunsystemet, från att upptäcka och rensa patogener till sårläkning", säger motsvarande författare Scott Medina, William och Wendy Korb tidig karriärdocent i biomedicinsk teknik.

"Det är en komponent i immunsystemet som verkligen överbryggar de två typerna av immunitet:medfödd immunitet, som reagerar på saker mycket snabbt men på ett inte särskilt exakt sätt, och adaptiv immunitet, som är mycket långsammare att komma online men svarar på ett mycket mer exakt sätt."

Makrofager reglerar dessa två armar av det mänskliga immunsvaret och hjälper vår kropp med funktioner som att bekämpa infektioner och vävnadsregenerering. Å andra sidan hjälper de också till att mediera inflammation relaterad till skador och sjukdomar som diabetes och reumatoid artrit.

Enligt Medina skulle dessa celler kunna utnyttjas och användas i terapier som skulle hjälpa patienter med tillstånd som cancer, autoimmuna sjukdomar, infektioner och skadad vävnad. Sådana terapier skulle involvera isolering, modifiering och/eller konstruktion av makrofager för att förbättra deras egenskaper för att bekämpa sjukdomar, kontrollera immunsvar och främja vävnadsreparation.

"Om vi ​​kunde visualisera vad dessa celler gör i kroppen, i realtid, då skulle vi kunna lära oss mycket om hur sjukdomar fortskrider och hur läkning sker," sa Medina. "Detta skulle ge oss en bild av vad cellerna gör i kroppen för just nu är vi verkligen begränsade till att ta ut cellerna ur kroppen och se vad de gör i en petriskål, vilket inte kommer att vara samma beteende som vi ser i kroppen."

Forskarna vände sig till ultraljudsundersökning, en vanlig teknik för att se kroppens inre vävnader. Men med enbart ultraljud smälter makrofager in med sina andra celler.

"Makrofager är i princip osynliga under ultraljudsavbildning eftersom du inte kan särskilja var cellerna är i förhållande till alla andra celler som finns i vår vävnad," sa Medina. "De beter sig alla likadant så man kan inte riktigt se specifika celler. Vi var tvungna att skapa det som kallas ett kontrastmedel, något som våra intressanta celler kunde märkas med som sedan skulle ge en viss bildkontrast som skulle skilja sig från bakgrunden. Och det var där dessa nanoemulsioner kom in."

Många hemkockar känner till emulsioner som en blandning av oljedroppar suspenderade i en vätska som vinäger eller vatten för att göra salladsdressing; en nanoemulsion är när dessa oljedroppar är små, bara nanometer i diameter.

Forskarna använde nanoemulsioner för att skapa mer motståndskraftiga bubblor. Gasbubblor reflekterar ett ultraljuds ljudvågor mycket effektivt; Men om någon injicerar bubblor i en patients kropp fungerar de inte särskilt bra eftersom de spricker relativt snabbt.

"Vi behövde ett sätt att i princip få bubblor att bildas när vi vill att de ska bildas precis vid tidpunkten för avbildning och inte tidigare, och även för att dessa bubblor ska kvarstå så länge som möjligt", säger Inhye Kim, postdoktor i biomedicin. ingenjör och huvudförfattare till studien.

Forskarna introducerade nanoemulsionsdroppar till cellerna, vilket internaliserade dem. Under ultraljud gick dropparna sedan igenom en fasförändring och förvandlades till en gas och därför en bubbla. Trycket från ultraljudsvågorna underlättade denna förändring, tryckte och drog i droppen när vågen svänger och använder tryck för att tvinga droppen att koka, vilket gör att den förångas och förvandlas till en gasbubbla.

"Det liknar hur vatten kommer att koka vid en lägre temperatur på en högre höjd, i säg Colorado, eftersom det är mindre tryck som hindrar det från att koka," sa Medina. "Vi använder trycket som vi applicerar på den droppen genom ultraljud för att effektivt få den att koka när vi vill att den ska koka så att den förångas och orsakar bildandet av denna gasbubbla."

De testade denna nya teknik i ett grisvävnadsprov och fann att avbildningen av makrofagerna fungerade. Tillvägagångssättet tillåter forskare att se vad immunceller gör i kroppen på ett kontinuerligt sätt, vilket möjliggör en bättre förståelse av hur immunsystemet regleras och vad dess roll är i att bekämpa sjukdomar, sa Medina. Utöver det, noterade Kim, kan det också hjälpa till att utveckla bättre immuncellsterapier för patienter i framtiden.

"Till exempel, för en patient med en tumör, kan den här forskningen möjliggöra konstruktionen av en makrofagcellterapi som är mer effektiv och har färre och mindre allvarliga biverkningar," sa Kim.

Nästa steg i forskningen inkluderar att undersöka möjligheten att använda denna teknik för andra typer av immuncellsvisualisering i människokroppen, eller för att övervaka uppbyggnaden av plack i artärerna. Dessutom söker forskarna medarbetare för att utveckla tekniken.

"Vi hoppas kunna arbeta med andra inom immunologisk forskning som har särskilda intressen och som kan ha nytta av den här tekniken, så vi är definitivt öppna för ytterligare samarbeten och tillämpningar," sa Medina.

Mer information: Inhye Kim et al, Real-Time, In Situ Imaging of Macrophages via Phase-Change Peptide Nanoemulsions, Small (2023). DOI:10.1002/smll.202301673

Journalinformation: Liten

Tillhandahålls av Pennsylvania State University