Nanočástice dělají úžasnou magnetickou cestu.

Inženýři navrhli malé roboty, které by mohly pomoci nanočásticím dodávajícím léky opustit krevní oběh a dostat se na místo nádoru nebo jiného onemocnění. Magnetičtí mikroboti mohou pomoci překonat jednu z největších překážek při dodávání léčiv nanočásticemi: dostat je z krevních cév a sbírat je na správném místě.

Inženýři na MIT navrhli malé roboty, které mohou pomoci nanočásticím dodávajícím léky opustit krev a dostat se k nádoru nebo jinému místu onemocnění. Je to jako s řemesly ve sci-fi filmu „Fantastická plavba“ ze 60. let, ve kterém se posádka ponorek zmenšuje a toulá se po těle, aby opravila poškozené buňky: roboti plaví krevním oběhem a přenášejí s sebou proud nanočástic.

Magnetičtí mikroboti, inspirovaní bakteriálním pohonem, mohou pomoci překonat jednu z největších překážek při dodávání léčiv nanočástic: odstraňování částic z cév a jejich shromažďování na správných místech.

„Když jsou nanomateriály umístěny do krevního řečiště a směrovány do nemocných tkání, největší překážkou takového zatížení tkáně je výstelka cévy,“ říká profesor vědy Sangeeta Bhatia. Zdraví Johna a Dorothy Wilsonové. Počítačové a elektrotechnické inženýrství a technologie, člen Ústavu pro výzkum rakoviny MIT Koch a Ústavu lékařského inženýrství a vědy a hlavní autor studie.

“Naším nápadem bylo zjistit, zda lze magnetismus použít k vytvoření tekutinových sil, které tlačí nanočástice do tkáně,” dodává Simone Schuerle, bývalá postdoktorandka článku MIT publikovaná v čísle z 26. dubna. Vědecký vývoj.

Ve stejné studii vědci také prokázali, že mohou dosáhnout podobného účinku pomocí živých bakteriálních rojů, které jsou přirozeně magnetické. Podle výzkumníků může být každý z těchto přístupů vhodný pro různé typy podávání léků.

Malí roboti

Schuerle, v současné době odborný asistent na Švýcarském federálním technologickém institutu (ETH Curych), začal pracovat na malých magnetických robotech jako postgraduální student v laboratoři Multi-Scale Robot Lab společnosti Brad Nelson v ETH Curych. Když v roce 2014 přišel do laboratoře Bhatia jako postdoktorský výzkumník, začal zkoumat, zda by takový robot mohl pomoci zefektivnit dodávku léků v nanočásticích.

Ve většině případů vědci směrují své nanočástice na místa onemocnění obklopená „děravými“ cévami, jako jsou nádory. To usnadňuje částicím vstup do tkáně, ale proces podávání není tak efektivní, jak by měl být.

Tým MIT se rozhodl zjistit, zda síly generované magnetickými roboty mohou nabídnout lepší způsob, jak vytlačit částice z krevního řečiště směrem k cílové oblasti.

Roboti Schuerle použité v této studii mají délku 35 procent milimetru, velikost je podobná jedné buňce a lze je řídit externím magnetickým polem. Tento biologicky inspirovaný robot, který vědci nazývají „umělý bakteriální bič“, se skládá z malé spirály, která vypadá jako bič, kterým se mnoho bakterií pohání. Tyto roboty jsou 3D vytištěny na 3D tiskárně s vysokým rozlišením a poté poniklovány, čímž jsou magnetické.

Aby otestovali schopnost jednoho robota ovládat blízké nanočástice, vytvořili vědci mikrofluidní systém, který napodobuje krevní cévy obklopující nádory. 50 až 200 mikronů široký kanál v jeho systému je lemován gelem s otvory, které simulují rozbité krevní cévy pozorované v blízkosti nádorů.

Vědci pomocí externích magnetů aplikovali magnetická pole na robota, což způsobilo, že vrtule se točila a vznášela se podél kanálu. Když kapalina protéká kanálem v opačném směru, robot zůstává nehybný a vytváří konvekční proud, který tlačí 200 nanometrových polystyrenových částic do struktury modelu. Tyto částice pronikly dvakrát více tkáně než nanočástice vyslané bez pomoci magnetického robota.

Takový systém by mohl být potenciálně zabudován do stentů, které jsou pevné a snadno zaměřitelné pomocí externě aplikovaného magnetického pole. Bhatia říká, že takový přístup by mohl být užitečný pro podávání léků, které pomohou snížit zánět v místě stentu.

Bakteriální roje

Vědci také vyvinuli variantu tohoto přístupu založenou spíše na rojích přírodních magnetotaktických bakterií než na mikrobotech. Bhatia dříve vyvinula bakterie využitím přirozené tendence bakterií hromadit se v místech onemocnění, které lze použít k distribuci protinádorových léků a diagnostice rakoviny.

Pro tuto studii vědci použili typ bakterií, kterému se říká. Magnetospirillum Magneticumpřirozeně produkující řetězce oxidu železa. Tyto magnetické částice, známé jako magnetosomy, pomáhají bakteriím orientovat se a najít preferované prostředí.

Vědci zjistili, že když byly tyto bakterie umístěny do mikrofluidního systému a aplikovaly magnetická pole rotující v určitých směrech, bakterie se začaly otáčet a pohybovat stejným směrem synchronizovaným způsobem a pohánět blízké nanočástice. V tomto případě vědci zjistili, že nanočástice byly umístěny do modelové tkáně třikrát rychleji, než byly nanočástice dodány bez magnetické pomoci.

Tento bakteriální přístup může být vhodnější pro dodávání léčiva v situacích, jako je nádor, kde externě řízená agregace může vytvářet tekutinové síly v cévách v celém nádoru, bez nutnosti vizuální zpětné vazby.

Bhatia říká, že částice, které vědci použili v této studii, byly dostatečně velké, aby unesly velké užitečné zatížení, včetně komponent potřebných pro systém úpravy genomu CRISPR. Nyní plánuje spolupracovat se společností Schuerle na dalším vývoji těchto dvou magnetických přístupů k testování na zvířecích modelech.

Výzkum byl financován Švýcarskou národní vědeckou nadací, Brancem Weissem Grantem, Národními instituty zdraví, Národní vědeckou nadací a Lékařským institutem Howarda Hughese.