Onderzoekers van de Pritzker School of Molecular Engineering en de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Chicago hebben kleine, draaiende microrobots ontwikkeld die zich binden aan immuuncellen om hun functie te onderzoeken. De robot, of 'hexapod', biedt wetenschappers een nieuwe, zeer aanpasbare manier om immuuncellen te bestuderen en te helpen bij het ontwerpen van immuuntherapieën tegen kanker, infecties of auto-immuunziekten.

Elke hexapod-robot heeft zes armen die moleculen bevatten die door het immuunsysteem als lichaamsvreemd kunnen worden herkend, zoals eiwitfragmenten van een tumor, virus of bacterie. Onderzoekers kunnen de hexapoden gebruiken om grote verzamelingen immuuncellen te scannen en ontdekken welke immuuncellen de vreemde moleculen van belang binden en hoe de bewegingen van de hexapoden die binding beïnvloeden.

"Talrijke aspecten waarvan immuuncellen en hoe immuunmoleculen ziekteverwekkers detecteren, blijven onbekend terrein, en nu hebben we dit nieuwe hulpmiddel om ons te helpen de moleculaire interacties te begrijpen", zegt Jun Huang, universitair hoofddocent moleculaire engineering bij Pritzker Molecular Engineering en co-senior auteur van het nieuwe artikel, gepubliceerd in Nature Methods .

"Wetenschappers gebruiken vaak biomaterialen om het immuunsysteem te bestuderen en te manipuleren, maar we hebben een manier ontwikkeld om anorganische materialen te gebruiken, wat een ongelooflijk onontgonnen gebied is", zegt Bozhi Tian, ​​hoogleraar scheikunde en de andere co-senior auteur. "Het voordeel van deze materialen is dat we hun eigenschappen op veel meer manieren kunnen veranderen."

Een 'T-cel' in een hooiberg

T-cellen zijn een soort witte bloedcellen die verantwoordelijk zijn voor het herkennen van vreemde ziekteverwekkers die zijn verwerkt door dendritische cellen:immuuncellen met lange vertakkende armen die ziekteverwekkers vangen en stukjes van de moleculen van de ziekteverwekkers op hun oppervlak weergeven. Er zijn biljoenen verschillende T-cellen in het lichaam van een persoon, elk met een andere T-celreceptor die nauwkeurig is afgestemd om een ​​pathogeen molecuul (antigeen) op een dendritische cel te herkennen.

Onderzoekers die de kracht van het immuunsysteem willen vergroten om een ​​bepaald antigeen te bestrijden, willen vaak weten welke T-cel die ziekteverwekker herkent. Maar het vinden van de exacte match tussen de biljoenen T-cellen is als het vinden van een speld in een hooiberg.

"Mensen hebben manieren ontwikkeld om dit te doen, maar ze vertrouwen vooral op de vraag of een T-celreceptor een antigeen bindt", zegt Xiaodan Huang, een van de co-eerste auteurs van het artikel. "Aangezien sommige T-celreceptoren zich aan een antigeen kunnen binden zonder vervolgens een sterke immuunrespons in de cel uit te lokken, wisten we dat dit geen perfecte proxy was."

Eerdere platforms om T-cellen te bestuderen konden ook de rol van fysieke kracht in de interactie tussen dendritische cellen en T-celreceptoren niet nabootsen; ze vertrouwden over het algemeen op geïsoleerde antigenen die zich niet gedragen als een levende dendritische cel.

Een robotachtige dendritische cel

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, ontwierpen de onderzoekers een minuscule robotachtige nabootsing voor een dendritische cel. De bot heeft een centrale, draaiende magnetische kern en zes armen gemaakt van siliciumdioxide (de stof waaruit het meeste zand bestaat) waaraan antigenen kunnen worden gehecht.

De laboratoriumgroepen van Tian en Huang gebruikten bekende antigeen-T-celreceptorparen om de effectiviteit van de hexapod te testen. Ze plaatsten kopieën van het antigeen op alle zes de poten en dompelden de hexapod vervolgens onder in mengsels van T-cellen. Zelfs als de overeenkomende T-cel in kleine hoeveelheden aanwezig was te midden van veel andere T-cellen, bonden de hexapoden alleen de juiste cel.

"We waren ongelooflijk blij met hoe goed het systeem werkte", zegt Lingyuan Meng, een van de co-eerste auteurs van het artikel. "Het feit dat het met zo'n hoge nauwkeurigheid de juiste T-cellen kon selecteren, overtrof onze verwachtingen."

Bovendien liet het onderzoeksteam zien dat ze de resulterende immuunrespons in de T-cellen die zich aan de hexapod bonden, konden analyseren. Wanneer twee verschillende T-cellen zich bijvoorbeeld aan de hexapod bonden, konden ze bepalen wat tot een sterkere immuunactiviteit leidde. De groep ontdekte ook dat de kracht die werd uitgeoefend door de draaiende hexapod tot sterkere immuunreacties leidde dan wanneer dezelfde T-cellen zich aan statische antigenen bonden.

"We willen dit nu graag gaan toepassen op andere antigenen, inclusief die van menselijke kankers en ziekteverwekkers", zei Huang. "Er zijn veel vragen, zowel fundamentele wetenschappelijke als klinisch relevante vragen, die kunnen worden onderzocht met behulp van deze hexapoden."

De hexapoden zouden bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om de T-cellen te identificeren die het sterkst reageren op bepaalde antigenen.

Meer informatie: Xiaodan Huang et al, Multimodaal onderzoek naar T-celherkenning met hexapod-heterostructuren, Natuurmethoden (2024). DOI:10.1038/s41592-023-02165-7

Aangeboden door Universiteit van Chicago