芝加哥大學(xué)化學(xué)系和普利茲克分子工程學(xué)院的研究人員設(shè)計出了能與免疫細(xì)胞結(jié)合以探測其功能的微型旋轉(zhuǎn)機器人。這個機器人，或稱“hexapod（六足機器人）”，為科學(xué)家們提供了一種全新的、適應(yīng)性極強的方法來研究免疫細(xì)胞，有助于設(shè)計針對癌癥、感染或自身免疫性疾病的免疫療法。

每個hexapod都有六只手臂，手臂上裝有可能被免疫系統(tǒng)識別為外來物的分子，如腫瘤、病毒或細(xì)菌的蛋白質(zhì)片段。研究人員可以利用六足機器人掃描大量的免疫細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)哪些免疫細(xì)胞會與感興趣的外來分子結(jié)合，以及六足機器人的運動會對這種結(jié)合產(chǎn)生怎樣的影響。

“免疫細(xì)胞和免疫分子如何感知病原體的許多方面仍然是未知的領(lǐng)域，現(xiàn)在我們有了這個新工具來幫助我們理解分子相互作用，”普利茲克分子工程學(xué)院分子工程副教授、發(fā)表在《自然方法》上的這篇新論文的共同資深作者黃俊（Jun Huang）說。

“科學(xué)家們經(jīng)常使用生物材料來研究和操縱免疫系統(tǒng)，但我們已經(jīng)開發(fā)出一種使用無機材料的方法，這是一個令人難以置信的未開發(fā)領(lǐng)域，這些材料的好處是，我們可以通過更多的方式改變它們的性質(zhì)。”化學(xué)教授、另一位資深作者Bozhi Tian說。

草堆中的“T 細(xì)胞”

T細(xì)胞是一種白細(xì)胞，負(fù)責(zé)識別被樹突狀細(xì)胞處理過的外來病原體。樹突狀細(xì)胞是一種具有長分支臂的免疫細(xì)胞，能夠捕獲病原體并在其表面顯示病原體分子的碎片。人體內(nèi)有數(shù)萬億個不同的T細(xì)胞，每個T細(xì)胞都有不同的T細(xì)胞受體，這些受體可以很好地識別樹突狀細(xì)胞上的致病分子(抗原)。

想要增強免疫系統(tǒng)對抗特定抗原的能力的研究人員通常想知道是什么T細(xì)胞識別了這種病原體。但是在數(shù)萬億的T細(xì)胞中找到精確的匹配就像大海撈針一樣。

該論文的第一作者之一Xiaodan Huang說:“人們已經(jīng)開發(fā)出了一些方法，但它們大多依賴于T細(xì)胞受體是否與抗原結(jié)合。由于有些T細(xì)胞受體可以與抗原結(jié)合，但不會在細(xì)胞中引發(fā)強烈的免疫反應(yīng)，因此我們知道這不是一個完美的替代品。”

以前研究T細(xì)胞的平臺也不能模擬物理力在樹突狀細(xì)胞和T細(xì)胞受體之間相互作用中的作用;它們通常依賴于分離的抗原，這些抗原的行為不像活的樹突細(xì)胞。

機器人樹突狀細(xì)胞

為了克服這些挑戰(zhàn)，研究人員設(shè)計了一個微型的樹突細(xì)胞機器人模擬器。機器人有一個旋轉(zhuǎn)的中心磁芯和六只由二氧化硅(大多數(shù)沙子的組成成分)制成的手臂，抗原可以附著在二氧化硅上。

Tian和Huang的實驗室小組使用已知的抗原-T細(xì)胞受體對來測試六足機器人的有效性。他們將抗原的副本放在所有六個臂上，然后將六足機器人浸入T細(xì)胞混合物中。即使匹配的T細(xì)胞少量存在于許多其他T細(xì)胞中，六足機器人也只結(jié)合正確的細(xì)胞。

該論文的第一作者之一Lingyuan Meng說:“我們對這個系統(tǒng)的良好運行感到非常高興。它能夠以如此高的準(zhǔn)確度挑選出正確的T細(xì)胞，這超出了我們的預(yù)期。”

此外，研究小組還表明，他們可以分析與六足機器人結(jié)合的T細(xì)胞的免疫反應(yīng)。例如，當(dāng)兩種不同的T細(xì)胞與六足機器人結(jié)合時，它們可以確定哪一種導(dǎo)致更強的免疫活性。研究小組還發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)六足機器人施加的力比相同的T細(xì)胞與靜態(tài)抗原結(jié)合時產(chǎn)生更強的免疫反應(yīng)。

Huang說:“我們現(xiàn)在想開始將這種方法應(yīng)用于其他抗原，包括來自人類癌癥和病原體的抗原。有很多問題，包括基礎(chǔ)科學(xué)問題和臨床相關(guān)問題，都可以用這些六足機器人來探索。”

例如，六足機器人可以用來識別對某些抗原反應(yīng)最強烈的T細(xì)胞。