Mobile medizinische Mikroroboter kann nun im Labor entwickelt für die breit gefächerten Anwendungen von personalisierten Behandlung von Krankheiten gezielte drug-delivery. Während Ihrer strukturellen design, Biotechnologen Kenntnisse Ziel der Minimierung von physischen Interaktionen mit Zellen des Immunsystems durch die Optimierung der Morphologie (Form) des Geräts und der Oberflächenchemie. Es ist daher wichtig zu verstehen, das zusammenspiel der Beiträge von Parametern in Richtung auf eine effektive, zielgerichtete Fortbewegung und geringe Immunogenität. In einem neuen Bericht, der jetzt veröffentlicht auf Science Robotics, Immihan Ceren Yasa und ein Forscher-team der physikalischen Intelligenz, Medizin und Technik an der Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme und der Koç Universität in Deutschland und der Türkei, untersucht die Wechselwirkungen der magnetisch steuerbaren Doppel-Helix-microswimmers.
Ein biohybrid microrobot integriert einen lebenden Mikroorganismus in einen nicht-lebenden Körper zu erkunden, die innewohnenden Mechanismen der Mikroorganismen gekoppelt ist, um dessen Eigenschaften von Antrieb, Sensorik und Fortbewegung. Die kombinierte Architektur für sich nutzen können biologische Brennstoffe in der mikroumgebung, um bestimmte Aufgaben, wie Fracht-Lieferung, gezielte Therapie und manipulation. Die Mikroroboter in dieser Arbeit eine änderung spiralige Form integrierter Maus-Makrophagen-Zelllinien (eine Art von Phagozyten/weiße Blutkörperchen). Makrophagen und splenocytes (zwei Arten von weißen Blutkörperchen) im Wohn-mikroumgebung erkannte die biohybrid Mikroroboter und löste eine Immunantwort basierend auf dem helix-turn-Nummern der microswimmers. Die arbeiten zeigten, die Bedeutung der gleichzeitig in Anbetracht der strukturellen Optimierung für die Fortbewegung performance -, immun-und Zell-Interaktionen während der medizinischen microrobot Entwicklung. Für die Makrophagen-microswimmer Hybriden präsentieren eine einzigartige technische Möglichkeit zur Entwicklung von biohybrid Mikroroboter zu kombinieren, die die Mobilität von synthetischen microswimmers und immunregulatorischen Kapazität der Makrophagen zur gezielten immuntherapeutika Anwendungen.
Der strukturellen design und Parameter immunobots
Während Ihrer Reise in Richtung des Zielgewebes, die microswimmers überwinden musste, um eine Reihe von Barrieren, einschließlich der Blut-Hirn-Schranke, Schleim-Membran und das Endothel kann Warnung von Ihrer Präsenz als ‚Bedrohungen‘ für das Immunsystem. Yasa et al. untersucht werden die Wechselwirkungen der magnetischen microswimmers mit den Zellen des Immunsystems und konstruiert eine benchmark-Methode, um routinemäßig zu testen, Zukunft, Roboter-designs in der Biomedizin. Das team führte die biohybrid microrobot als „immunobot“—eine magnetisch angetriebene und biologisch aktivierte Makrophagen mit einer verschlungen synthetische magnetisch, schräg-microswimmer. Während der Experimente wählten Sie microswimmers mit zwei – und 10-Gang-helices und microprinted Sie in drei Dimensionen (3-D) mithilfe der zwei-Photonen-Polymerisation.
Während der 3-D-Druck, Sie verwendet einen pre-polymer-Lösung von poly(ethylenglycol) diacrylat (PEGDA) und einen fotoinitiator als Bestandteil und magnetisiert die gedruckten Strukturen durch sputter-Beschichtung mit 100 nm dicken Nickel und 50 nm dicken gold-Filme, gefolgt von thiol-modifizierten PEG-Oberfläche änderungen. Die Modifikation der Oberfläche minimiert unbeabsichtigte Chemische Wechselwirkungen mit dem Immunsystem, so dass die Wissenschaftler zu sezieren, die Auswirkungen von strukturellen Effekte allein auf die Immunantwort. Yasa et al. angewendet Rotations-magnetische Felder zu kontrollieren und treiben der microswimmers durch das ausüben von Drehmoment um die helikale Achse, wo Drehmoment-basierten magnetischen Antrieb gesteuert microswimmers entlang einer zugewiesenen Flugbahn. Nach der Prüfung der swimming performances von immunobots in Puffer-Lösungen, beobachteten Sie die microswimmers innen ganz frisches Blut erhalten von einer Maus, die für weitere Studien. Basierend auf schwimmen Geschwindigkeiten und Laufeigenschaften, die Leistung microswimmers mit helices für zwei verwandelt wurden mehr als fünf verwandelt und danach mehr als 10-turn helical Mikroroboter in Puffer und Vollblut.
Wechselwirkungen von microswimmers und Makrophagen
In der Nanomedizin, Wissenschaftler Anpassung der physikalischen Eigenschaften von Partikeln zu vermeiden die Anerkennung durch den host oder die Immunantwort Steuern für Anwendungen. Eine primäre Mechanismus der angeborenen Immunabwehr-Reaktion ist, Phagozytose durch Makrophagen, die abhängig von der Größe und geometrie der Ziel-Partikel. Wenn Makrophagen internalisiert das microswimmers Sie nicht zum Abbau der helices, wodurch langfristige Roboter-task-Ausführung. Die Forschergruppe methodisch vielfältig das Stirnrad drehen Anzahl entlang der großen Achse der microswimmers unter Beibehaltung seiner Körper-Volumen zu prüfen, – Wechselwirkungen der Maus-Makrophagen-Zelllinien und deren verinnerlicht Ladung mit Elektronen -, optische und konfokale Mikroskopie. Basierend auf time-lapse-Filme von Makrophagen-eingekapselt, Oberflächen-gebundenen microswimmers, Sie offenbart die Auswirkungen des Roboter-Mikroarchitektur. Während die Phagozytose, die microswimmer trat der Makrophagen-Zelle für stabile Orientierung in einem Prozess, der dauerte 20 Minuten im Durchschnitt für zwei-turn-microswimmers. Dieser Prozess dauerte bis zu vier Stunden, für fünf-turn-und 10-Gang-microswimmers. Nach erfolgreicher Phagozytose der Makrophagen weiter zu kriechen, mit Ihren internen cargo. Die Ergebnisse hervorgehoben, wie die optimierte Formgebung verbessert die Fortbewegung Leistung, während die Auswirkungen auf die Immunogenität des microswimmer, geeignet für eine Vielzahl von Anwendungen in der Medizin.
Immunogene Reaktionen des spiralförmigen Schwimmer
Yasa und Kollegen untersucht die Immunogenität des microswimmers, indem Sie zu den primären Maus-Milz-Zellen mit einer Vielzahl von Leukozyten-zellpopulationen wie Makrophagen und Lymphozyten. In der Regel, die microswimmers Begegnung, aktiviert Immunzellen wie Lipopolysaccharide (LPS) stimulieren, Oberflächen-Rezeptoren von Makrophagen sezernieren pro-inflammatorische Zytokine eine entzündliche Reaktion. In dieser Arbeit, microswimmers mit überlegener Mobilität induzierte höhere Produktion von interleukin-12 ist ein wichtiges Zytokin, das zur Regulierung der angeborenen und adaptiven Immunität der Zellen. Das team ferner auf die Akkumulation von T-und B-Zellen um Makrophagen, wenn Sie verinnerlicht, microswimmers; vorschlagen, eine spezifische Immunantwort. Während der zwei-turn-microswimmers war die höchste Geschwindigkeit der Bewegung, Sie waren die am meisten immunogen im Vergleich zu den fünf-turn-und 10-Gang-microswimmers das team daher empfohlen, die Verwendung von zwei-turn-microswimmers mit höherer Geschwindigkeit in immun-privilegierte Orte, wie das zentrale Nervensystem und das Auge. Sie empfehlen die Verwendung von Strukturen mit niedriger Geschwindigkeit zu gewinnen relativen Unsichtbarkeit des Immunsystems auf biologische Standorte an anderer Stelle.
Verschränkung von microrobot design-parameter auf das schwimmen und immunogenitäts-und proof-of-principle immunobots
Das team dann als mechanobiology oder physikalischen Kräfte und deren Auswirkungen auf die Zelle mechanik als ein weiterer wichtiger parameter während microrobot design. Sie beurteilten die microrobot Oberfläche der Chemie zu verstehen, Ihre Fortbewegung, Leistung und Immunogenität. Während eine einzelne Makrophagen unterbringen konnte kleine microswimmers zu bilden biohybrids, Riesen-Zellen wurden gedacht, um zu verinnerlichen, größere microswimmers. Während die immunobot zeigte ununterbrochene Fortbewegung, individuelle microswimmers waren nicht so effizient wie von selbst. Yasa et al. gezeigt zusätzliche Varianten, um den Prototyp Ihrer primären Arbeit, obwohl in beide design-Typen, die dem von außen angelegten Magnetfeld fuhren die Fortbewegung der immunobots.
