I ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering e del Dipartimento di Chimica dell’Università di Chicago hanno progettato minuscoli micro-robot rotanti che si legano alle cellule immunitarie per sondarne la funzione. Il robot, o "esapode", offre agli scienziati un modo nuovo e altamente adattabile per studiare le cellule immunitarie e per contribuire alla progettazione di immunoterapie contro il cancro, le infezioni o le malattie autoimmuni.
Ogni robot esapode ha sei bracci contenenti molecole che potrebbero essere riconosciute come estranee dal sistema immunitario, come frammenti proteici di un tumore, virus o batterio. I ricercatori possono utilizzare gli esapodi per scansionare grandi raccolte di cellule immunitarie e scoprire quali cellule immunitarie legano le molecole estranee di interesse e in che modo i movimenti degli esapodi influiscono su tale legame.
"Numerosi aspetti su quali cellule immunitarie e come le molecole immunitarie percepiscono gli agenti patogeni rimangono un territorio inesplorato, e ora abbiamo questo nuovo strumento per aiutarci a comprendere le interazioni molecolari", ha affermato Jun Huang, professore associato di ingegneria molecolare presso Pritzker Molecular Engineering e co-senior autore del nuovo articolo, pubblicato su Nature Methods .
"Gli scienziati usano spesso i biomateriali per studiare e manipolare il sistema immunitario, ma noi abbiamo sviluppato un modo per utilizzare materiali inorganici, che è un'area incredibilmente inesplorata", ha affermato Bozhi Tian, professore di chimica e altro co-autore senior. "Il vantaggio di questi materiali è che possiamo modificare le loro proprietà in molti altri modi."
Le cellule T sono un tipo di globuli bianchi responsabili del riconoscimento degli agenti patogeni estranei che sono stati elaborati dalle cellule dendritiche, cellule immunitarie con lunghi bracci ramificati che catturano gli agenti patogeni e mostrano frammenti delle loro molecole sulla loro superficie. Ci sono trilioni di cellule T distinte nel corpo di una persona, ognuna con un diverso recettore delle cellule T che è finemente sintonizzato per riconoscere una molecola patogena (antigene) su una cellula dendritica.
I ricercatori che vogliono aumentare la capacità del sistema immunitario di combattere un particolare antigene spesso vogliono sapere quali cellule T riconoscono quell'agente patogeno. Ma trovare la corrispondenza esatta tra trilioni di cellule T è come trovare un ago in un pagliaio.
"Le persone hanno sviluppato modi per farlo, ma si basano principalmente sul fatto che un recettore delle cellule T si leghi a un antigene", ha detto Xiaodan Huang, uno dei co-autori dell'articolo. "Poiché alcuni recettori delle cellule T possono legarsi a un antigene senza provocare una forte risposta immunitaria nella cellula, sapevamo che questo non era un proxy perfetto."
Anche le precedenti piattaforme per studiare le cellule T non potevano imitare il ruolo della forza fisica nell’interazione tra cellule dendritiche e recettori delle cellule T; generalmente si basavano su antigeni isolati che non si comportano come una cellula dendritica vivente.
Per superare queste sfide, i ricercatori hanno progettato un minuscolo robot che imita una cellula dendritica. Il robot ha un nucleo magnetico centrale rotante e sei bracci fatti di biossido di silicio (il composto di cui è composta la maggior parte della sabbia) a cui possono essere attaccati gli antigeni.
I gruppi di laboratorio di Tian e Huang hanno utilizzato coppie di recettori antigene-cellule T note per testare l'efficacia dell'esapode. Hanno messo copie dell’antigene su tutte e sei le zampe e poi hanno immerso l’esapode in miscele di cellule T. Anche quando la cellula T corrispondente era presente in piccole quantità in mezzo a molte altre cellule T, gli esapodi si legavano solo alla cellula corretta.
"Siamo rimasti incredibilmente soddisfatti del funzionamento del sistema", ha affermato Lingyuan Meng, uno dei primi autori dell'articolo. "Il fatto che potesse individuare le cellule T giuste con una precisione così elevata ha superato le nostre aspettative."
Inoltre, il gruppo di ricerca ha dimostrato di poter analizzare la risposta immunitaria risultante nelle cellule T che si legano all’esapode. Ad esempio, quando due diverse cellule T si legavano all’esapode, potevano determinare quale portava a un’attività immunitaria più forte. Il gruppo ha anche scoperto che la forza esercitata dall'esapode in rotazione porta a risposte immunitarie più forti rispetto a quando le stesse cellule T si legano ad antigeni statici.
"Ora vorremmo iniziare ad applicare questo ad altri antigeni, compresi quelli provenienti da tumori umani e agenti patogeni", ha detto Huang. "Ci sono molte domande, sia scientifiche di base che clinicamente rilevanti, che possono essere esplorate utilizzando questi esapodi."
Ad esempio, gli esapodi potrebbero essere utilizzati per identificare le cellule T che reagiscono più fortemente a determinati antigeni.
Ulteriori informazioni: Xiaodan Huang et al, Sondaggio multimodale del riconoscimento delle cellule T con eterostrutture esapodi, Metodi naturali (2024). DOI:10.1038/s41592-023-02165-7
Fornito dall'Università di Chicago
