Science子刊：微型颗粒如何“钻”进和影响免疫系统？
自由移动微型机器人可能通过将药物定向输送到特定组织来促进多种疾病的治疗。在生理流体中的小规模运动需要特殊的设计考虑，而活动性微生物一直是灵感的主要来源。开创性工作证明了使用外部施加的旋转磁场来致动和操纵鞭毛状磁化微结构（通常称为微游泳器）的可行性。从那时起，已经发表了许多有关增强这些磁性微游泳器的运动和载药能力的文章。在向靶标组织前进的过程中，微游泳器有望克服许多障碍（例如，血脑屏障，粘膜和内皮），而不会被免疫系统检测为威胁。因此，微游泳器的合理设计要求破译其导航性能，治疗功能和免疫原性行为之间的相互作用，以实现安全，针对特定地点和有效的药物输送。
医用微型机器人的结构设计参数，例如形态和表面化学，应旨在最小化与免疫系统细胞的任何物理相互作用。但是，相同的表面设计参数对于微型机器人的运动性能也至关重要。同时了解此类针对高运动性能和低免疫原性的参数之间的相互作用是至关重要的，但迄今为止，这一点已被忽略。
成果简介：
有鉴于此，德国马克斯普朗克智能系统研究所Metin Sitti等人通过系统地改变它们的螺旋形态，研究了磁性可控双螺旋微泳器与小鼠巨噬细胞系和脾细胞（从小鼠脾脏新鲜收获）的相互作用。该方法可作为未来生物医学机器人设计评估的基准。相关成果发表在Science Robotics杂志上。
示意图（自参考2）
形态设计优化
具体而言，研究人员选择了三个相同设计的形态衍生物，它们具有相同的体长（L=25μm）、外径（R+2D=6μm）和体体积，只改变沿着微锥主轴的螺旋匝数（2匝、5匝、10匝），来研究它们与免疫系统细胞的相互作用。使用双光子聚合技术，从含有聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和3 % Irgacure 369光引发剂的预聚物溶液中，以三维（3D）方式对这些结构进行了微打印。分别用100nm厚的镍和50nm厚的金膜对印刷体进行溅射磁化，然后用硫醇修饰的PEG对其进行表面修饰，旨在将与免疫系统的非预期化学相互作用最小化，从而剖析结构效应对免疫原性反应的影响。
图|形态设计优化
摄取机理
为了研究微泳器与小鼠腹腔巨噬细胞细胞系J774A-1的初始相互作用。结果表明，可以从相对于微游泳器的长轴的任何取向开始物理相互作用。第一次接触后，按照以下步骤进行完全内在化：在微泳器表面上变平，从基材上强行脱离，以及重新定向以有利于吞噬。分离后，巨噬细胞可以在3D模式下改变微泳器的位置和方向，从而更好地促进内化。
对于摄取时间比较，2匝的为20min，而对于5匝和10匝的则平均需要4 hrs。吞噬时间差异是由于初始取向角限制了在微泳者表面变平的动力学。另外，观察到肌动蛋白纤维与微泳者相互作用时称为吞噬杯，它开始并驱动吞噬作用。吞噬杯围绕可触及的圆周展开，从螺旋形几何的下方开始，并在凹槽内顺应。一旦内在化完成，吞噬杯的形成就消失了。值得注意的是，微泳器表面上的大分子电晕形成可能是微泳器与巨噬细胞相互作用的独特因素，仍需进一步研究。
图|巨噬细胞与螺旋微泳器的吞噬相互作用
研究人员还研究了吞噬杯从侧面或尖端通过微泳器传播时需要吞噬的体积和表面积，直到内化完成。当巨噬细胞从尖端开始内化时，与从侧面开始的情况相比，接触表面积的进展，吞噬体积，面积变化率和吞噬体积变化率仍然较低。结果，吞噬杯沿螺旋轴1μm距离传播的内化损耗低于沿垂直轴传播的损耗。这解释了微泳器从表面脱离后的重新取向，因此微泳器的尖端在内化过程中倾向于指向细胞内部。
图|螺旋微泳器的内化动力学
2匝>5匝>10匝
研究人员分别在PBS与全血中研究微游泳器的游泳速度和滚转特性，研究表明，微型游泳器在PBS和全血中的运动性能大小为：2匝>5匝>10匝。研究人员研究了在新鲜分离的原代小鼠脾细胞（称为脾细胞）存在下微泳器的免疫原性。在巨噬细胞与微游泳者接触的过程中，观察到巨噬细胞与T和B淋巴细胞发生物理相互作用。而且表现出最佳运动性能的2匝微游泳器最终同时具有最高的免疫原性。
图|对合成微泳的初级免疫细胞反应
其他设计参数的可能
考虑到微型机器人的表面化学性质对于其运动性能和免疫原性也是必须的。该微泳器是刚性结构。免疫细胞可以感觉到它们是否暴露于柔软或刚性的底物上。因此，机械生物学构成了设计空间的另一个维度。从识别到降解过程，软微泳器在吞噬过程中可能会表现出截然不同的行为，与免疫系统细胞的相互作用可能更具动态性和抗内化性。顺便说一句，由天然水凝胶制成的柔软的微泳剂对于靶向疗法具有许多好处，例如酶促生物降解性，可调谐化学反应以及对药物的高负载能力。此外，由柔软而智能的水凝胶制成的柔性微泳器通过自主的形变显示自适应运动。
图|微型机器人的设计参数一起影响运动和免疫原性行为
可长可短的双模式运动
此外，研究还表明外加磁场可以驱动免疫机器人进行长距离运动。且还证明巨噬细胞的自主运动可以驱动免疫机器人短距离运动，这个过程中，肌动蛋白的细胞骨架起主要作用，它将产生的力传递到基质上，并在需要进行爬行运动时将其回收。
图|生物合成微泳器双模态运动
小结：
癌症免疫疗法彻底改变了肿瘤学领域。人们日益认识到，使用颗粒将免疫调节化合物靶向递送至免疫细胞可以组织选择性消灭癌细胞。本研究表明，可以利用微游泳器的内部化功能将磁操纵与免疫细胞的自主运动结合起来。这与本文第一部分中探讨的原始隐身方法有很大的不同，而是激发了免疫系统与肿瘤的联合力量。新的挑战是设计具有吞噬作用和生物杂交系统后续操作潜力最大的微泳器。尽管目标是矛盾的，但是相同的方法将用于实现与免疫系统相伴的微游泳器。需要付出巨大的努力来验证用工程结构增强免疫细胞不会妨碍其免疫治疗功能。
参考文献：
1.Immihan Ceren Yasa, et al., Elucidating the interaction dynamics betweenmicroswimmer body and immune system for medical microrobots. Sci. Robotics 5,eaaz3867
DOI:10.1126/scirobotics.aaz3867
https://robotics.sciencemag.org/content/5/43/eaaz3867
2.Mahmut Selman Sakar. Immune evasion by designer microrobots. Sci. Robotics 5,eabc7620