Dinámica de interacción entre microrobots de diseño y el sistema inmunitario
Optimización de la forma del micronadador para la administración dirigida de fármacos. Ilustración de un caso de uso futuro para los microrobots médicos que enfatiza una importante compensación de diseño. Los micronadadores magnéticos de doble hélice con núcleos internos llenos se imprimen en 3D como cuerpos concentrados que transportan drogas. Se prueban tres derivados morfológicos del mismo diseño con la misma longitud del cuerpo, diámetro exterior y volumen del cuerpo, variando solo el número de vueltas helicoidales a lo largo del eje mayor (2 vueltas, 5 vueltas y 10 vueltas). Los micronadadores de dos vueltas exhiben el mejor rendimiento de locomoción, pero fueron preferentemente el objetivo de los macrófagos. El aumento del número de giros CRÉDITO: UN KITTERMAN/ deteriora el rendimiento de natación al tiempo que reduce la inmunogenicidad, presentando un compromiso entre la velocidad y las interacciones físicas con el sistema inmunológico. Crédito: Science Robotics, doi: 10.1126/scirobotics.abc7620
Los microrobots médicos móviles ahora se pueden diseñar en el laboratorio para una amplia gama de aplicaciones, desde el tratamiento personalizado de enfermedades hasta la administración de fármacos dirigidos. Durante su diseño estructural, los bioingenieros tienen como objetivo minimizar las interacciones físicas con las células del sistema inmunitario mediante la optimización de la morfología (forma) del dispositivo y la química de su superficie. Por lo tanto, es importante comprender la interacción entre las contribuciones de dichos parámetros hacia una locomoción eficaz y orientada al objetivo y una baja inmunogenicidad. En un nuevo informe publicado ahora en Science Robotics, Immihan Ceren Yasa y un equipo de investigación en inteligencia física, medicina e ingeniería del Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes y la Universidad de Ko en Alemania y Turquía, investigaron las interacciones de motores de doble hélice dirigibles magnéticamente. micronadadores.
Un microrobot biohíbrido integra un microorganismo vivo dentro de un cuerpo no vivo para explorar la maquinaria inherente del microorganismo junto con sus propiedades de actuación, detección y locomoción. La arquitectura combinada puede aprovechar los combustibles biológicos en el microambiente para realizar tareas específicas, como la entrega de carga, la terapia dirigida y la manipulación. Los microrobots en este trabajo tenían una forma helicoidal cambiante integrada con líneas celulares de macrófagos de ratón (un tipo de fagocitos/glóbulos blancos). Los macrófagos y esplenocitos (dos tipos de glóbulos blancos) en el microambiente vivo reconocieron los microrobots biohíbridos y provocaron una respuesta inmune basada en el número de vueltas de hélice de los micronadadores. El trabajo mostró la importancia de considerar simultáneamente la optimización estructural para el rendimiento de la locomoción y las interacciones de las células inmunitarias durante el desarrollo de microrobots médicos. Los híbridos de macrófagos y micronadadores presentan una oportunidad de ingeniería única para desarrollar microrobots biohíbridos que combinen la movilidad de los micronadadores sintéticos y la capacidad inmunorreguladora de los macrófagos para aplicaciones inmunoterapéuticas específicas.
Diseño estructural y parámetros de los inmunobots
Diseño de microrobots que sean rápidos, pero seguros, que funcionen en armonía con el sistema inmunitario. Crédito de la animación: Alice Kitterman, crédito: Science Robotics, doi: 10.1126/scirobotics.aaz3867
Durante su viaje hacia el tejido objetivo, los micronadadores tuvieron que superar una serie de barreras, incluida la barrera hematoencefálica, la membrana mucosa y el endotelio. que pueden alertar su presencia como ‘amenazas’ al sistema inmunológico. Yasa et al. investigó las interacciones de los micronadadores magnéticos con las células del sistema inmunológico y diseñó un método de referencia para probar rutinariamente futuros diseños robóticos en biomedicina. El equipo presentó el microrobot biohíbrido como un «inmunobot», un macrófago activado biológicamente y accionado magnéticamente con un micronadador helicoidal magnético sintético sumergido. Durante los experimentos, eligieron micronadadores con hélices de dos y diez vueltas y los microimprimieron en tres dimensiones (3-D) usando polimerización de dos fotones.
Durante la impresión 3D, utilizaron una solución de prepolímero de diacrilato de poli(etilenglicol) (PEGDA) y un fotoiniciador como constituyentes y magnetizaron las estructuras impresas recubriéndolas por pulverización con 100-nm- Níquel de espesor y películas de oro de 50 nm de espesor, seguidas de modificaciones superficiales de PEG modificadas con tiol. La modificación de la superficie minimizó las interacciones químicas no deseadas con el sistema inmunitario, lo que permitió a los científicos analizar el impacto de los efectos estructurales solo en la respuesta inmunitaria. Yasa et al. aplicó campos magnéticos rotacionales para controlar y propulsar a los micronadadores ejerciendo un par alrededor del eje helicoidal, donde la propulsión magnética basada en el par dirigía a los micronadadores a lo largo de una trayectoria asignada. Después de probar el rendimiento de natación de los inmunobots en soluciones tampón, observaron a los micronadadores dentro de sangre entera fresca obtenida de un ratón para realizar más estudios. En función de las velocidades de natación y las propiedades de rodadura, el rendimiento de los micronadadores con hélices de dos vueltas fue superior al de cinco vueltas y, posteriormente, superior al de los microrobots helicoidales de 10 vueltas en tampón y sangre total.
Interacciones de micronadadores y macrófagos
Respuesta primaria de las células inmunitarias a los micronadadores sintéticos. (A) Flujo de trabajo experimental para la coincubación de esplenocitos recién aislados del bazo de ratón. SSC-A, dispersión lateral. (B) Análisis de clasificación de células activadas por fluorescencia que muestra las tasas de proliferación de los esplenocitos a las 72 horas. (C) Imágenes confocales de los esplenocitos estimulados por LPS a las 96 horas. También son evidentes los linfocitos alrededor de los macrófagos diseminados. (D) El porcentaje de tasas de internalización de los micronadadores por esplenocitos estimulados por LPS a las 96 horas. Datos representados como captación total sobre el total de células que interactúan. (E) IL-12 p40 en el sobrenadante del cultivo, secretada por los esplenocitos en respuesta a micronadadores, detectada mediante ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas. (F) Liberación de IL-12p40 en respuesta a micronadadores fabricados con fotoprotector comercial, IPL y PEG a las 24 horas. Crédito: Science Robotics, doi: 10.1126/scirobotics.aaz3867
En nanomedicina, los científicos pueden adaptar las propiedades físicas de las partículas para evitar el reconocimiento por parte del huésped o controlar la respuesta inmunitaria para las aplicaciones. Un mecanismo principal de la respuesta de defensa inmunitaria innata es la fagocitosis por macrófagos, que depende del tamaño y la geometría de la partícula diana. Cuando los macrófagos internalizaron los micronadadores, no degradaron las hélices, lo que permitió la ejecución de tareas robóticas a largo plazo. El equipo de investigación varió metódicamente el número de giros helicoidales a lo largo del eje principal de los micronadadores mientras mantenía su volumen corporal para examinar las interacciones de las líneas celulares de macrófagos de ratón y su carga internalizada mediante microscopía electrónica, óptica y confocal. Basados en películas de lapso de tiempo de micronadadores unidos a la superficie encapsulados en macrófagos, revelaron el impacto de la microarquitectura del robot. Durante la fagocitosis, el micronadador ingresaba a la célula de macrófagos para una orientación estable en un proceso que tomaba 20 minutos en promedio para los micronadadores de dos vueltas. Este proceso tomó hasta cuatro horas, para micronadadores de cinco y diez vueltas. Después de una fagocitosis exitosa, los macrófagos continuaron arrastrándose con su carga interna. Los hallazgos destacaron cómo la forma optimizada mejoró el rendimiento de la locomoción, al tiempo que afectó la inmunogenicidad del micronadador, adecuado para una variedad de aplicaciones en medicina.
Respuestas inmunogénicas de los nadadores helicoidales
Luego, Yasa y sus colaboradores investigaron la inmunogenicidad de los micronadadores presentándolos a células primarias de bazo de ratón que contenían una variedad de poblaciones de glóbulos blancos, como macrófagos y linfocitos Por lo general, los micronadadores encontrarán células inmunitarias activadas como los lipopolisacáridos (LPS) que estimulan los receptores de superficie de los macrófagos para secretar citoquinas proinflamatorias para una respuesta inflamatoria. En este trabajo, micronadadores con movilidad superior indujeron una mayor producción de interleucina-12, una citocina importante para regular la inmunidad innata y adaptativa de las células. El equipo notó además la acumulación de células T y B alrededor de los macrófagos cuando internalizaron los micronadadores; para sugerir una respuesta inmune específica. Si bien los micronadadores de dos vueltas tenían la velocidad de movimiento más alta, eran los más inmunogénicos en comparación con los micronadadores de cinco y diez vueltas, por lo que el equipo recomendó el uso de micronadadores de dos vueltas con mayor velocidad en sitios inmunoprivados como como el sistema nervioso central y el ojo. Sugieren usar estructuras con menor velocidad para ganar una relativa invisibilidad para el sistema inmunológico en sitios biológicos en otros lugares.
Diseño de inmunobot biohíbrido que reúne un macrófago con un micronadador sintético para habilitar la capacidad de locomoción bimodal en un entorno biológico. (A) Ilustración del inmunobot de rodillo de superficie logrado por la actuación basada en el par magnético y (B) la dirección de un inmunobot alrededor y encima de los macrófagos no magnéticos semiadherentes. Se observaron aumentos en las velocidades instantáneas a medida que el inmunobot se impulsaba sobre los macrófagos no magnéticos adherentes (recuadros correspondientes a los picos). (C) Seguimiento de múltiples inmunobots en modo rodillo accionados simultáneamente. Círculos naranjas que indican las posiciones iniciales de los inmunobots en t0. (D) Viabilidad de los inmunobots en comparación con las células de control a las 72 horas. (E) Ilustración de un inmunobot en el modo de locomoción autónomo (rastreo) por la reorganización dinámica intrínseca del citoesqueleto de actina. (F) Instantáneas de las grabaciones de lapso de tiempo durante el movimiento. Imágenes de fluorescencia que muestran protuberancias de actina viva durante el rastreo. (G) Trayectorias de desplazamiento 2D de los inmunobots que muestran locomoción de rastreo con una velocidad promedio de 2.40.5 m min1. (H) Distribución de velocidad media de los inmunobots de rastreo. Crédito: Science Robotics, doi: 10.1126/scirobotics.aaz3867 Enredo de parámetros de diseño de microrobots en natación e inmunogenicidad e inmunobots de prueba de principio
El equipo consideró entonces la mecanobiología o las fuerzas físicas y su impacto en la mecánica celular como otro parámetro significativo durante el diseño de microrobots. Evaluaron la química de la superficie del microrobot para comprender su locomoción, rendimiento e inmunogenicidad. Mientras que un solo macrófago podía acomodar pequeños micronadadores para formar biohíbridos, se pensaba que las células gigantes internalizaban micronadadores más grandes. Si bien el inmunobot mostró una locomoción ininterrumpida, los micronadadores individuales no fueron tan eficientes por sí mismos. Yasa et al. demostraron variaciones adicionales al prototipo de su trabajo principal, aunque en ambos tipos de diseño, el campo magnético aplicado externamente impulsó la locomoción de los inmunobots.
Actuación magnética de los inmunobots. Crédito: Science Robotics, doi: 10.1126/scirobotics.aaz3867 El trabajo tendrá un impacto significativo en la inmunoterapia del cáncer, que ha revolucionado el campo de la oncología para satisfacer las crecientes demandas de administración dirigida de compuestos inmunomodulados para erradicar las células cancerosas. En este caso, Yasa y sus colegas pretenden desviarse del enfoque sigiloso original para ser invisible para el sistema inmunitario y, en cambio, centrarse en unir fuerzas con el sistema inmunitario contra los tumores. Por lo tanto, el trabajo representará nuevos desafíos para diseñar y desarrollar un sistema biohíbrido multifuncional y versátil, que el equipo prevé desarrollar con los mismos principios básicos de diseño. El trabajo también allanará el camino para diseñar enfoques avanzados de medicina personalizada utilizando microrobots biohíbridos funcionalizados con los propios macrófagos del paciente.
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Microrobots personalizados nadan a través de barreras biológicas, entregan medicamentos a las células Más información: Immihan Ceren Yasa et al. Esclarecimiento de la dinámica de interacción entre el cuerpo del micronadador y el sistema inmunitario de los microrobots médicos, Science Robotics (2020). DOI: 10.1126/scirobotics.aaz3867
Samir Mitragotri et al. Enfoques físicos para el diseño de biomateriales, Nature Materials (2008). DOI: 10.1038/nmat2344
Ouajdi Felfoul et al. Las bacterias magnetoaerotácticas administran nanoliposomas que contienen fármacos a las regiones hipóxicas del tumor, Nature Nanotechnology (2016). DOI: 10.1038/nnano.2016.137 Información de la revista: Science Robotics , Nature Materials , Nature Nanotechnology