Инженеры Массачусетского технологического института разработали крошечных роботов, которые могут помочь наночастицам, доставляющим лекарства, выходить из кровотока в опухоль или другое место заболевания. Как и в «Фантастическом путешествии» – научно-фантастическом фильме 1960-х годов, в котором команда подводной лодки уменьшается в размерах и перемещается по телу, чтобы восстанавливать поврежденные клетки – роботы плывут по кровотоку, создавая ток, который увлекает за собой наночастицы.
Магнитные микророботы, вдохновленные движением бактерий, могут помочь преодолеть одно из самых больших препятствий на пути доставки лекарств с наночастицами: заставить частицы покидать кровеносные сосуды и накапливаться в нужном месте.
«Когда вы помещаете наноматериалы в кровоток и нацеливаете их на больные ткани, самым большим препятствием для проникновения такой полезной нагрузки в ткань является выстилка кровеносного сосуда», – говорит Сангита Бхатия, профессор медицинских наук Джона и Дороти Уилсон, и Технологии, электротехника и информатика, член Института интегративных исследований рака Массачусетского технологического института им. Коха и его Института медицинской инженерии и науки, а также старший автор исследования.
«Наша идея заключалась в том, чтобы посмотреть, можно ли использовать магнетизм для создания сил жидкости, которые проталкивают наночастицы в ткань», – добавляет Симона Шуэрле, бывший постдок Массачусетского технологического института и ведущий автор статьи, опубликованной в выпуске журнала Science Advances от 26 апреля.
В том же исследовании исследователи также показали, что они могут добиться аналогичного эффекта, используя рои живых бактерий, которые обладают естественным магнитным полем. Исследователи говорят, что каждый из этих подходов может подходить для разных типов доставки лекарств.
Крошечные роботы
Шуэрле, который сейчас является доцентом Швейцарского федерального технологического института (ETH Zurich), впервые начал работать над крошечными магнитными роботами в качестве аспиранта в лаборатории многомасштабной робототехники Брэда Нельсона в ETH Zurich. Когда она пришла в лабораторию Бхатии в качестве постдока в 2014 году, она начала исследовать, может ли этот вид ботов помочь сделать доставку лекарств из наночастиц более эффективной.
В большинстве случаев исследователи нацеливают свои наночастицы на участки заболевания, окруженные «протекающими» кровеносными сосудами, такими как опухоли. Это облегчает попадание частиц в ткань, но процесс доставки по-прежнему не так эффективен, как хотелось бы.
Команда Массачусетского технологического института решила изучить, могут ли силы, создаваемые магнитными роботами, предложить лучший способ вытолкнуть частицы из кровотока в целевой участок.
Роботы, которых Шуэрле использовал в этом исследовании, имеют длину 35 сотых миллиметра, по размеру аналогичны одиночной ячейке, и ими можно управлять, применяя внешнее магнитное поле.
Этот биоинспирированный робот, который исследователи называют «искусственным бактериальным жгутиком», состоит из крошечной спирали, напоминающей жгутики, которые многие бактерии используют для движения. Эти роботы печатаются на трехмерном принтере с высоким разрешением, а затем покрываются никелем, что делает их магнитными.
Чтобы проверить способность одного робота контролировать близлежащие наночастицы, исследователи создали микрофлюидную систему, которая имитирует кровеносные сосуды, окружающие опухоли. Канал в их системе шириной от 50 до 200 микрон покрыт гелем с отверстиями, имитирующими разорванные кровеносные сосуды, наблюдаемые рядом с опухолями.
Используя внешние магниты, исследователи применили к роботу магнитные поля, которые заставили спираль вращаться и плавать по каналу. Поскольку жидкость течет через канал в противоположном направлении, робот остается неподвижным и создает конвекционный ток, который проталкивает 200-нанометровые частицы полистирола в ткань модели. Эти частицы проникли в ткань вдвое глубже, чем наночастицы, доставленные без помощи магнитного робота.
Этот тип системы потенциально может быть встроен в стенты, которые являются стационарными и на них легко воздействовать внешним магнитным полем.
По словам Бхатиа, такой подход может быть полезен для доставки лекарств, помогающих уменьшить воспаление в месте установки стента.
Бактериальные рои
Исследователи также разработали вариант этого подхода, в котором вместо микророботов используются рои естественных магнитотактических бактерий. Бхатия ранее разработал бактерии, которые можно использовать для доставки лекарств от рака и для диагностики рака, используя естественную тенденцию бактерий накапливаться в очагах заболевания.
Для этого исследования исследователи использовали тип бактерий под названием Magnetospirillum magnetum, который естественным образом производит цепочки оксида железа. Эти магнитные частицы, известные как магнитосомы, помогают бактериям ориентироваться и находить предпочтительную среду обитания.
Исследователи обнаружили, что, когда они поместили эти бактерии в микрофлюидную систему и применили вращающиеся магнитные поля в определенных направлениях, бактерии начали синхронно вращаться и двигаться в том же направлении, притягивая любые наночастицы, которые находились поблизости. В этом случае исследователи обнаружили, что наночастицы вдавливались в ткань модели в три раза быстрее, чем когда наночастицы были доставлены без какой-либо магнитной помощи.
Этот бактериальный подход мог бы лучше подходить для доставки лекарств в таких ситуациях, как опухоль, когда рой, управляемый извне без необходимости визуальной обратной связи, мог бы генерировать жидкостные силы в сосудах по всей опухоли.
По словам Бхатиа, частицы, которые исследователи использовали в этом исследовании, достаточно велики, чтобы нести большие полезные нагрузки, включая компоненты, необходимые для системы редактирования генома CRISPR. Теперь она планирует сотрудничать с Шуэрле для дальнейшего развития обоих этих магнитных подходов для тестирования на моделях животных.
Исследование финансировалось Швейцарским национальным научным фондом, стипендией Бранко Вайса, Национальными институтами здравоохранения, Национальным научным фондом и Медицинским институтом Говарда Хьюза.