Al incorporar componentes artificiales en E. coli Bacterias para crear microrobots biohíbridos, un grupo de investigadores del departamento de Inteligencia Física del Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes integró la robótica con la biología. Primero, los científicos adhirieron varios nanoliposomas a cada bacteria, como se muestra en la imagen a continuación.
Estos soportes esféricos contienen una sustancia (ICG, partículas verdes) en su círculo exterior, que se derrite cuando se expone a la luz del infrarrojo cercano. Los liposomas atrapan moléculas de agentes quimioterapéuticos solubles en agua (DOX) más centralmente dentro del núcleo acuoso.
Las nanopartículas magnéticas son el segundo elemento que los investigadores agregaron a la bacteria. Las partículas de óxido de hierro actúan como un impulso adicional para este microbio que ya tiene una gran movilidad cuando se exponen a un campo magnético. Como resultado, es más fácil controlar el movimiento de bacterias, lo cual es un mejor diseño para uno en vivo Solicitud.
La cuerda que une los liposomas y las partículas magnéticas a la bacteria es un complejo de estreptavidina y biotina muy estable y difícil de romper, desarrollado unos años antes y útil en la construcción de microrobots biohíbridos.
E. coli Las bacterias son hábiles nadadoras, capaces de moverse a través de una variedad de medios, incluidos líquidos y tejidos muy viscosos. Pero eso no es todo; También poseen habilidades sensoriales muy avanzadas. Las bacterias se sienten atraídas por los gradientes químicos, como la alta acidez o los bajos niveles de oxígeno, los cuales están presentes en las proximidades del tejido tumoral. El término «tratamiento de tumores mediado por bacterias» se refiere al proceso de tratamiento del cáncer mediante la administración de microorganismos cercanos.
El hecho de que los microorganismos migren al tumor, donde crecen y se diseminan, dispara el sistema inmunológico del paciente. La terapia tumoral mediada por bacterias ha sido una forma de tratamiento durante más de un siglo.
Los investigadores han estado tratando de aumentar las habilidades de este microorganismo durante las últimas décadas. Los científicos proporcionaron a las bacterias más herramientas para ayudar en la lucha. Sin embargo, integrar elementos artificiales no es una operación sencilla. Hay procesos químicos complicados en el trabajo, y para evitar la dilución, la tasa de densidad de las partículas aplicadas a la bacteria es importante.
El grupo de Stuttgart ahora ha establecido un estándar muy alto. Lograron entregar liposomas y partículas magnéticas a 86 de cada 100 bacterias.
Los investigadores demostraron cómo podían impulsar externamente una solución de tan alta densidad en diferentes direcciones. Primero a través de un pequeño canal en forma de L con dos compartimentos en cada extremo, cada uno de los cuales contiene un esferoide tumoral. Luego, un conjunto mucho más restringido, parecido a vasos sanguíneos microscópicos. Los científicos demostraron cómo dirigir con precisión los microrobots cargados de fármacos hacia los esferoides tumorales mediante la adición de un imán permanente adicional en un lado.
En tercer lugar, los científicos fueron un paso más allá y guiaron a los diminutos robots a través de un gel de colágeno espeso que tenía tres grados diferentes de rigidez y porosidad, que iban de suave a rígido (como tejido tumoral). Cuanto más rígido es el colágeno y más densa la red de hebras de proteínas, más difícil es para las bacterias atravesar la matriz, como se muestra en la figura.
Los investigadores demostraron que una vez que se agrega un campo magnético, las bacterias pueden atravesar todo el camino hasta el otro extremo del gel debido a su mayor fuerza. Las bacterias entraron en las fibras por alineamiento constante.
Una vez que los microrobots se han reunido en el sitio objetivo (el esferoide tumoral), un láser de infrarrojo cercano genera rayos con temperaturas de hasta 55 °C, que inician el proceso de fusión del liposoma y liberan las sustancias activas que contiene. Los medicamentos se liberan automáticamente alrededor de un tumor cuando los nanoliposomas se rompen en un ambiente ácido o de pH bajo.
Imagínese si inyectáramos tales micro-robots basados en bacterias en el cuerpo de un paciente con cáncer. Con un imán, pudimos dirigir las partículas al tumor de manera específica. Tan pronto como suficientes microrobots rodean el tumor, apuntamos un láser al tejido y activamos la liberación del fármaco. Ahora no solo se estimula el sistema inmunitario para que se despierte, sino que los medicamentos adicionales también ayudan a destruir el tumor..
Birgül Akolpoglu, primer autor del estudio y estudiante de doctorado, Departamento de Inteligencia Física, Instituto Max Planck – Sistemas Inteligentes
dr. Yunus Alapan, ex investigador postdoctoral en el Departamento de Inteligencia Física, y Akolpoglu codirigieron el artículo. el 15 de julioel2022, se publicó en avances científicos. «Esta entrega en el punto de atención sería mínimamente invasiva para el paciente, indolora, tendría una toxicidad mínima y los medicamentos funcionarían donde se necesitan en lugar de en todo el cuerpo.‘, dice Alapan.
Los microrobots biohíbridos basados en bacterias con funciones médicas podrían algún día combatir el cáncer de manera más efectiva. Es un nuevo enfoque terapéutico que no está muy alejado del tratamiento actual contra el cáncer. El impacto terapéutico de los microrobots médicos en la búsqueda y destrucción de células tumorales podría ser significativo. Nuestro trabajo es un gran ejemplo de investigación básica diseñada para beneficiar a nuestra sociedad..
dr. Metin Sitti, autor principal del estudio y profesor, Departamento de Inteligencia Física, Instituto Max Planck – Sistemas Inteligentes
referencia de la revista
Akolpoglu, MB, y otros. (2022) Microrobots bacterianos dirigibles magnéticamente que se mueven en matrices biológicas 3D para entregar carga sensible a estímulos. avances científicos. doi.org/10.1126/sciadv.abo6163.
Fuente: https://is.mpg.de/
