Пузырьковые боты:биосовместимые микророботы, которые автономно добираются до опухолей

Робототехника и автоматизация INSIDER

Ученые создали два разных типа пузырьковых ботов. Те, что показаны вверху этого изображения, модифицированы магнитными наночастицами и направлены к мишени опухоли с помощью внешних магнитов. Боты, показанные внизу, имеют различные ферменты, связанные с поверхностью, и следуют химическому градиенту, чтобы независимо обнаружить мишень опухоли. (Изображение:Лаборатория Гао/Калифорнийский технологический институт)

Потенциал микророботов огромен. Эти миниатюрные объекты могут быть предназначены для выполнения действий внутри организма, таких как распознавание биомаркеров, манипулирование объектами, такими как сгустки крови, или доставка лекарственных препаратов к участкам опухоли. Но придумать, как сделать крошечных ботов эффективными, биосовместимыми и экономически выгодными, непросто. Теперь команда под руководством Калифорнийского технологического института сделала огромный шаг к созданию микророботов следующего поколения для доставки лекарств. Они упростили как структуру микророботов, так и метод их производства, сделав ботов достаточно эффективными и «умными», чтобы направиться к опухоли.

Команда ученых Калифорнийского технологического института и Университета Южной Калифорнии описывает пузырьковые боты и их успешное применение при лечении опухолей мочевого пузыря у мышей в статье, опубликованной в выпуске журнала Nature Nanotechnology от 2 февраля. .

Команда, возглавляемая Вэй Гао, профессором медицинской инженерии Калифорнийского технологического института и исследователем Института медицинских исследований наследия, ранее использовала ультразвуковую визуализацию и магнитное наведение на модели животного, чтобы доставить миниатюрных 3D-печатных роботов к опухоли, где они могли бы биоразлагаться и высвобождать свой груз:лекарства для борьбы с раком. Эти микророботы были изготовлены в чистом помещении с использованием специального оборудования и имели гидрогелевую оболочку из желеобразного полимера, окружающую микропузырьки. Эта оболочка помогала ботам двигаться и обеспечивала превосходный контраст изображений, что позволяло исследователям отслеживать их внутри тела.

«Мы подумали, а что, если сделать это еще проще и просто сделать пузырь роботом?» - сказал Гао. «Мы можем легко создавать пузыри и уже знаем, что они очень биосовместимы. И если вы хотите их лопнуть, вы можете сделать это немедленно».

Команда разработала метод создания таких простых пузырьковых ботов. Используя ультразвуковой датчик, они взбалтывали раствор, состоящий из БСА (бычьего сывороточного альбумина, стандартного животного белка, часто используемого в лабораторных экспериментах), чтобы образовать тысячи микропузырьков с белковыми оболочками.

Затем ученые воспользовались еще одной особенностью белковой оболочки — обилием аминогрупп, имеющихся на поверхности. Аминные группы представляют собой совокупность атомов, имеющих связь углерод-азот, которые легко поддаются химической модификации. Связав эти аминогруппы, исследователи создали два типа микророботов с разными способами управления своими движениями. А противораковые препараты, такие как доксорубицин, могут успешно связываться с поверхностью обеих версий.

Ученые прикрепили фермент уреазу к поверхности обеих версий пузырьботов. Уреаза действует как крошечный двигатель, приводящий роботов в движение. Фермент катализирует реакцию с мочевиной, обильным продуктом жизнедеятельности организма, который служит своего рода биотопливом для роботов, выделяя аммиак и углекислый газ. Поскольку уреаза неравномерно распределена по поверхности пузырьков, со временем на одной стороне будет накапливаться больше этих продуктов, чем на другой. Этот дисбаланс создает асимметричную химическую среду вокруг пузыря, создавая чистый «толчок», который продвигает микророботов вперед.

В первой версии команда прикрепила магнитные наночастицы к поверхности пузырьковых ботов, сделав их магниточувствительными. С помощью ультразвуковой визуализации внутренних микропузырьков ботов можно было бы управлять пузырьковыми ботами с помощью внешних магнитов, направляя их к цели внутри тела.

Но исследователи хотели пойти еще дальше. «Мы хотели сделать роботов более умными», — сказал Гао. Зная, что опухоли и воспаления производят высокие концентрации перекиси водорода по сравнению с нормальными клетками, команда решила связать дополнительный фермент, называемый каталазой, с поверхностью второй версии микророботов. Каталаза запускает реакцию с перекисью водорода, образуя воду и кислород. Благодаря так называемому хемотаксическому поведению пузырьки, связанные с каталазой, автоматически движутся в сторону более высоких концентраций перекиси водорода, направляя их в сторону опухолей.

«В этом случае вам не нужны никакие изображения; вам не нужен внешний контроль. Робот достаточно умен, чтобы найти опухоль», — объясняет Гао. «Автономное движение пузырькового робота вместе с его способностью определять градиент перекиси водорода приводит к такому нацеливанию, которое мы называем хемотаксическим нацеливанием на опухоль».

Как только пузырчатые боты прибудут к цели, ученые смогут применить сфокусированный ультразвук, чтобы лопнуть пузыри, высвободив их терапевтический груз. Такое сильное взрывное действие усиливает проникновение препарата в опухоль по сравнению с медленно разлагающимися гидрогелевыми роботами, ранее использовавшимися командой.

Когда ученые вводили мышам пузырьковые боты для доставки противоопухолевых препаратов, они наблюдали снижение веса опухолей мочевого пузыря примерно на 60 процентов в течение 21 дня по сравнению с мышами, которым давали только препарат.

«Эта платформа пузырькового робота проста, но она объединяет все, что вам нужно для терапии:биосовместимость, контролируемое движение, визуализацию и триггер по требованию, который помогает лекарству проникать глубже в опухоль. Нашей целью всегда было приблизить микророботов к реальному клиническому использованию, и эта роботизированная конструкция является большим шагом в этом направлении», — сказал ведущий автор статьи Сонгсонг Тан, который завершил работу во время своего пребывания в качестве постдокторанта в лаборатории Гао в Калифорнийский технологический институт.

Источник