Phagocytární makrofág Microrobot kombinuje imunitní funkce s robotickou kontrolovatelností

Makrofágy a další imunitní buňky jsou přirozeným imunitním válečníkem v první linii našeho těla, které brání tělo před napadajícími patogeny a rakovinné buňky. Přesto navzdory jejich vrozeným „bojovým“ schopnostem, přesně nasměrování a aktivaci těchto buněk in vivo zůstalo náročné. V posledních letech vznik bio-mikrorobotů ukázal velký potenciál přeměnit tyto „přírodní vojáky“ na kontrolovatelné funkční jednotky pomocí externích fyzikálních polí a biomimetického designu. Stávající přístupy se však obvykle spoléhají na magnetická, akustická nebo optická pole, aby mohla řídit pohyb buněk, ale těžko vyladit jejich biologické funkce. Kromě toho tyto metody vyžadují exogenní materiál nebo genetickou modifikaci, zvyšují závažné obavy z biologické bezpečnosti a imunitní rejekce.

V novém příspěvku zveřejněném v Světlo: Věda a aplikaceTým vědců vedený profesorem Hongbao Xin z Jinan University v Číně vyvinul světelný fagocytický makrofág Microrobot („Phagobot“), který kombinuje vrozené imunitní funkce s robotickou kontrolou. Phagobot může být „probuzen“ a navigoval jednoduše pomocí pevně zaostřeného světelného paprsku blízkého infračerveného (NIR).

„Chtěli jsme najít způsob, jak ovládat imunitní buňky se stejnou přesností jako stroje, ale aniž bychom odebrali své přirozené silné stránky,“ řekl profesor Xin, odpovídající autor studie. „S touto strategií optické kontroly s dvojitým režimem zůstávají makrofágy zcela přirozené, ale mohou být přesně poučeny, aby se pohybovaly, hledaly a fagocytóza biologických hrozeb in vitro i in vivo.“

Proces začíná pevně zaostřeným laserovým paprskem NIR (1064 nm) se zaměřením na povrch klidových makrofágů. Během několika minut vyvolává lokalizovaný fototermální účinek iontové kanály citlivé na teplotu v buněčné membráně, což způsobuje, že se vápník vrhne do buňky. Tato řetězová reakce aktivuje energetický metabolismus buňky a vede k výbuchu reaktivních druhů kyslíku (ROS), což je charakteristický znak aktivace makrofágů. Výsledkem je, že makrofág se transformuje a rozšiřuje flexibilní „zbraně“ zvané pseudopodia, připravená k akci.

Je to jako převrácení biologického spínače se světlem. Světlo nejen pohybuje buňku. Proměňuje buňku na válečníka. “

Xing Li, první autor a student doktorandu na Jinan University

Rozšířená pseudopodie v aktivovaném makrofágu může působit jako malé antény, aby snímaly změny v extracelulárním mikroprostředí. Vědci použili jemné optické síly k manipulaci s pseudopodií, což umožnilo přesnou směrovou kontrolu. Tímto způsobem by Phagobot mohl být navigován směrem k cílovým umístěním s vysokou prostorovou přesností.

„Jiné bio-mikroroboty, které se spoléhají na magnetická nebo akustická pole, aby tlačily celé buňky, které mohou nevyhnutelně narušit buněčnou aktivitu a imunitní stav. Naproti tomu tato metoda funguje na subcelulární úrovni, což vede pouze pseudopodii. To udržuje zbytek buňky nerušené, což napodobuje, jak imunitní buňky přirozeně migrují v tkáni.“ Řekl autor spolupráci, docent profesor Ting Pan.

V laboratorních testech vykazoval Phagot pozoruhodnou účinnost při cílení a pohlcení různých biologických ohrožení, včetně Staphylococcus aureusKvasinkové buňky, plastové nanočástice a trosky nádorových buněk. Systém také prokázal svou sílu in vivo. Pomocí modelů zebrafish vědci označili makrofágy s fluorescenčními markery a úspěšně aktivovali je a navigovali v komplexu, neustále se pohybující střevní prostředí. Tam fagoboty lokalizovaly a vyčistily buněčné zbytky, aniž by způsobily jakékoli viditelné poškození tkáně i po prodloužení expozice světla.

„Tento přístup překonává dvě hlavní úzká místa v oblasti bio-mikrorobotů: externí jízdní systémy mohou řídit buňky pouze k pohybu a potřebu syntetických nebo genetických modifikací. Poskytuje negenetickou platformu pro imunitní intervenci in vivo a nabízí slibné aplikace v cílové terapii a přesnou imunomodulaci a shrnují tito vědci.