Бактериальные био-гибридные микророботы для борьбы с раком
Ученые из отдела физического интеллекта Института интеллектуальных систем им. Макса Планка создали био-гибридных микророботов, объединив робототехнику с биологией. Они оснастили бактерии E. coli искусственными компонентами.
Конструкция микророботов
- К каждой бактерии прикрепили несколько нанолипосом. Их внешняя оболочка содержит материал (ICG), который плавится под воздействием ближнего инфракрасного света. Внутреннее водное ядро липосомы заключает молекулы водорастворимого химиотерапевтического препарата (DOX).
- Второй компонент — магнитные наночастицы из оксида железа. Под воздействием магнитного поля они усиливают и облегчают управление движением и без того высокоподвижных бактерий, что важно для применения in vivo.
- Связующим звеном служит стабильный комплекс стрептавидин-биотин.
Преимущества бактерий-носителей
E. coli — быстрые и универсальные пловцы, способные перемещаться в средах от жидкостей до вязких тканей. Они обладают продвинутыми сенсорными способностями и движутся по химическим градиентам, таким как низкий уровень кислорода или высокая кислотность, которые характерны для опухолевой ткани.
Лечение рака с помощью инъекций бактерий (бактериально-опосредованная терапия опухолей) известно более века. Микроорганизмы накапливаются в опухоли, растут там и активируют иммунную систему пациента. Ученые последних десятилетий работают над усилением этих "суперспособностей".
Команде из Штутгарта удалось оснастить 86 из 100 бактерий одновременно и липосомами, и магнитными частицами, что является высоким показателем.
Управление и доставка лекарства
Ученые продемонстрировали внешнее управление такими микророботами в различных условиях:
- В L-образном узком канале с двумя отсеками, содержащими опухолевые сфероиды.
- В установке, имитирующей крошечные кровеносные сосуды, с дополнительным управлением постоянным магнитом для точного наведения на сфероиды.
- В вязком коллагеновом геле (имитация опухолевой ткани) с тремя уровнями жесткости и пористости. Чем жестче коллаген, тем плотнее сеть белковых волокон и сложнее путь для бактерий. При включении магнитного поля бактерии, благодаря создаваемой большей силе и постоянной переориентации, смогли преодолеть гель любой жесткости.
Высвобождение препарата
После накопления микророботов в нужной точке (опухолевый сфероид) запускается высвобождение лекарства:
- Лазер ближнего ИК-диапазона нагревает ткань до 55 °C, вызывая плавление липосомы.
- Низкий уровень pH (кислая среда опухоли) также приводит к вскрытию нанолипосом, обеспечивая автоматическую доставку препарата непосредственно вблизи опухоли.
Перспективы терапии
"Представьте, что мы вводим таких микророботов в тело пациента. С помощью магнита мы точно направляем их к опухоли. Когда роботов накопится достаточно, мы направляем на ткань лазер и запускаем высвобождение препарата. Таким образом, мы не только активируем иммунную систему, но и помогаем уничтожить опухоль с помощью дополнительных лекарств", — говорит первый автор публикации Биргюль Аколпоглу.
"Такая доставка на место была бы минимально инвазивной, безболезненной, обладала бы минимальной токсичностью, и препараты действовали бы именно там, где нужно, а не во всем теле", — добавляет соавтор доктор Юнус Алапан.
Исследование "Magnetically steerable bacterial microrobots moving in 3D biological matrices for stimuli-responsive cargo delivery" было опубликовано в журнале Science Advances 15 июля 2022 года.