Минироботы, работающие на магнитных полях, могут помочь наночастицам доставки лекарств достичь своих целей
Инженеры MIT разработали крошечных роботов, которые могут помочь наночастицам доставки лекарств вытолкнуть их из кровотока в опухоль или другое место болезни. Подобно ремеслам в «Фантастическом путешествии» — научно-фантастическом фильме 1960-х годов, в котором команда подводных лодок сжимается в размерах и бродит по телу, чтобы восстановить поврежденные клетки, — роботы плавают в кровотоке, создавая поток, который увлекает за собой наночастицы.
Магнитные микророботы, вдохновленные бактериальным движением, могут помочь преодолеть одно из самых больших препятствий для доставки лекарств с наночастицами : заставить частицы выходить из кровеносных сосудов и накапливаться в нужном месте.
«Когда вы помещаете наноматериалы в кровоток и нацеливаете их на больную ткань , самым большим препятствием для такого рода полезной нагрузки, попадающей в ткани, является слизистая оболочка кровеносного сосуда», — говорит Сангита Бхатия, профессор наук о здоровье Джона и Дороти Уилсон и Технологии, электротехника и информатика, член Института интеграционных исследований рака им. М.И. Коха и его Института медицинской инженерии и науки, а также старший автор исследования.
«Наша идея состояла в том, чтобы посмотреть, сможете ли вы использовать магнетизм для создания жидкостных сил, которые толкают наночастицы в ткани», — добавляет Симона Шерле, бывший постдок MIT и ведущий автор статьи, которая появляется в выпуске журнала Science Advances от 26 апреля .
В том же исследовании исследователи также показали, что они могут достичь аналогичного эффекта, используя стаю живых бактерий, которые являются природными магнитными. Исследователи говорят, что каждый из этих подходов может подходить для разных видов доставки лекарств.
Синтетические и живые микропропеллеры с магнитным управлением размешивают наночастицы для улучшения транспортировки лекарств.
Шерле, который в настоящее время является доцентом в Швейцарском федеральном технологическом институте (ETH Zurich), впервые начал работать над крошечными магнитными роботами в качестве аспиранта в Лаборатории мультимасштаба Брэда Нельсона в ETH Zurich. Когда она пришла в лабораторию Бхатии в качестве постдока в 2014 году, она начала исследовать, может ли этот вид бота помочь сделать доставку лекарств из наночастиц более эффективной.
В большинстве случаев исследователи нацеливают свои наночастицы на участки заболевания, которые окружены «протекающими» кровеносными сосудами, такими как опухоли. Это облегчает попадание частиц в ткани, но процесс доставки все еще не так эффективен, как должен быть.
Команда MIT решила выяснить, могут ли силы, создаваемые магнитными роботами, предложить лучший способ вытолкнуть частицы из кровотока в целевой участок.
Роботы, которые Шерле использовал в этом исследовании, имеют длину 35 сотых миллиметра, похожи по размеру на одну ячейку, 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 продвижения себя. Эти роботы напечатаны на 3D-принтере с помощью 3D-принтера высокого разрешения, а затем покрыты никелем, что делает их магнитными.
Чтобы проверить способность одного робота контролировать соседние 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 для имитации сломанных кровеносных сосудов, наблюдаемых вблизи опухолей.
Обнаружение синтетического мирпропеллера в опухолевой ткани с помощью многофотонной визуализации и сигналов второго гармоинуса. Предоставлено: Джеффри Уайкофф
Используя внешние магниты, исследователи прикладывали магнитные поля к роботу, который заставляет спираль вращаться и плыть через канал. Поскольку жидкость протекает через канал в противоположном направлении, робот остается неподвижным и создает конвекционный ток, который выталкивает 200-нм частицы полистирола в модельную ткань. Эти частицы проникли в ткань вдвое дальше, чем наночастицы, доставленные без помощи магнитного робота.
Этот тип системы потенциально может быть встроен в стенты, которые являются стационарными и на которые легко воздействовать внешним магнитным полем. Такой подход может быть полезен для доставки лекарств, чтобы помочь уменьшить воспаление на месте стента, говорит Бхатия.
Бактериальные рои
Исследователи также разработали вариант этого подхода, который основывается на скоплениях природных магнитотактических бактерий, а не микророботов. Bhatia ранее разработал бактерии, которые могут быть использованы для доставки лекарств от рака и диагностики рака, используя естественную тенденцию бактерий накапливаться в местах заболеваний.
Для этого исследования исследователи использовали тип бактерии, называемый Magnetospirillum Magnum, который естественным образом производит цепи оксида железа. Эти магнитные частицы, известные как магнитосомы, помогают бактериям ориентироваться и находить свое предпочтительное окружение.
Исследователи обнаружили, что, когда они помещают эти бактерии в микрофлюидную систему и применяют вращающиеся магнитные поля в определенных направлениях, бактерии начинают вращаться синхронно и двигаться в одном направлении, вытягивая любые находящиеся поблизости наночастицы. В этом случае исследователи обнаружили, что наночастицы вдавливались в модельную ткань в три раза быстрее, чем при доставке наночастиц без какой-либо магнитной помощи.
Этот бактериальный подход может лучше подходить для доставки лекарств в ситуациях, таких как опухоль, где рой, контролируемый извне без необходимости визуальной обратной связи, может генерировать флюидные силы в сосудах по всей опухоли.
По словам Бхатии, 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 со Шуэрле для дальнейшей разработки обоих этих магнитных подходов для испытаний на животных моделях.
