Robots microscópicos suministran fármacos al cerebro
ARRIBA: Neutrobots teñidos de púrpuraH. ZHANG ET AL., SCI ROBOT, 2021
Actualmente se encuentran en desarrollo robots microscópicos de natación que podrían navegar a través del cuerpo para realizar tareas médicas como la administración de terapias específicas contra el cáncer o cirugías. En un estudio publicado el 24 de marzo en Science Robotics, los científicos crearon microrobots controlados magnéticamente basados en neutrófilos, un tipo de glóbulo blanco. En ratones, estos llamados neutrobots penetraron la barrera hematoencefálica (BBB) para administrar medicamentos a las células cancerosas del cerebro.
Esta es una idea genial, dice Liangfang Zhang, nanoingeniero y bioingeniero en la Universidad de California, San Diego, que no participó en el estudio. Diría que este documento es todavía un estudio preliminar de prueba de concepto, pero creo que el concepto general es novedoso. Es interesante porque es un nuevo pensamiento sobre cómo enviar carga al cerebro.
Un obstáculo importante en el tratamiento de enfermedades neurológicas es hacer que los medicamentos pasen el BBB, un límite altamente selectivo que niega la entrada de la mayoría de las sustancias al cerebro. Pero ciertos glóbulos blancos tienen acceso especial para tratar infecciones e inflamaciones, lo que los convierte en buenos caballos de Troya para que los medicamentos superen este bloqueo. En estudios anteriores, los investigadores cargaron medicamentos contra el cáncer cerebral en neutrófilos y macrófagos, que tienen una capacidad natural para detectar el cáncer porque nadan hacia concentraciones más altas de sustancias químicas inflamatorias liberadas por el tejido enfermo.
Ver Células inmunitarias que provocan cáncer Fármacos para el cerebro
Pero iteraciones anteriores de células inmunitarias transportadoras de fármacos no han podido tratar por completo los tumores cerebrales de ratón, probablemente debido en parte a la lenta migración al sitio de la enfermedad. Para mejorar la velocidad y el control, los investigadores han dotado a microrobots basados en espermatozoides, bacterias o glóbulos rojos con material magnético para guiarlos externamente con campos magnéticos, dice Zhiguang Wu, bioingeniero del Instituto de Tecnología de Harbin en China y coautor del estudio. nuevo estudio.
Vea bacterias como microrobots vivos para combatir el cáncer
Para tratar el glioma, un tipo de cáncer cerebral, en ratones, Wu y sus colegas diseñaron microrobots basados en neutrófilos que podrían controlarse con un campo magnético. Primero, el equipo hizo nanopartículas a partir de un gel incrustado con perlas magnéticas de óxido de hierro y el fármaco contra el cáncer ampliamente utilizado paclitaxel. A continuación, las nanopartículas se envolvieron en E. coli membrana bacteriana. Disfrazadas como bacterias dañinas, las nanopartículas fueron engullidas por los neutrófilos de ratón in vitro mucho más fácilmente que las nanopartículas desnudas. La capa bacteriana también evitó la fuga prematura de medicamentos e hizo que las partículas fueran menos tóxicas para los neutrófilos, encontraron los investigadores.
Imagen de microscopía electrónica de transmisión de un solo neutrófilo. La flecha amarilla indica un grupo de nanopartículas que contienen óxido de hierro y paclitaxel, cada una encerrada por una E. coli membrana. La barra de escala es 2 mH ZHANG ET AL. SCIENCE ROBOTICS, 2021
El equipo probó las capacidades de navegación y administración de fármacos de los neutrobots in vitro. Bajo el control de un campo magnético giratorio, los neutrobots alcanzaron una velocidad de 16,4 m por segundo, unas 50 veces más rápido que la velocidad de los neutrófilos naturales. Al monitorear los neutrobots a través de un microscopio, los investigadores pudieron dirigirlos para que se movieran en orientaciones complejas sobre un sustrato artificial.
Para evaluar la capacidad de búsqueda de inflamación de los neutrobots, los investigadores los colocaron en un gel con un gradiente de concentración de un factor inflamatorio. Los neutrobots migraron hacia concentraciones más altas del químico a una velocidad similar a la de los neutrófilos naturales. Y en un modelo BBB, los neutrobots penetraron células de ratón cultivadas en una membrana para acceder a las células de glioma y liberaron su carga de fármaco al exponerse a las señales de inflamación.
Finalmente, los investigadores probaron si los bots podían tratar el cáncer cerebral en ratones. . Primero, inyectaron células de glioma en cerebros de ratones. Después de 10 días, realizaron cirugía en algunos de los ratones para extirpar una parte del tumor con el fin de impulsar las señales inflamatorias que atraen neutrófilos. Los investigadores inyectaron neutrobots en las colas de todos los ratones y, en un subconjunto de ratones, usaron un campo magnético giratorio para dirigir los neutrobots hacia el cerebro. Usando imágenes de resonancia magnética (IRM), el equipo encontró que se acumularon más neutrobots alrededor de los gliomas en ratones tratados con cirugía y campo magnético en comparación con los ratones que no fueron expuestos al campo magnético, no se sometieron a cirugía o no recibieron ninguno. Los ratones doblemente tratados también sobrevivieron por más tiempo, evidencia de que las dos intervenciones se complementaron entre sí. La microscopía electrónica de transmisión confirmó que los neutrobots penetraron en la BBB y entraron en el tejido del glioma.
Todos los ratones tratados con neutrobot sobrevivieron más tiempo en comparación con los animales tratados con una inyección de solución salina o paclitaxel, lo que indica que los neutrobots aún podían administrar medicamentos. a través de la BBB en respuesta a una señal inflamatoria débil o una señal inflamatoria fuerte sin propulsión magnética.
Según Zhang, los componentes individuales del estudio el uso de células inmunitarias como transportadores de fármacos, nanopartículas controladas magnéticamente y bacterias las membranas como mantos no son nuevas. Pero lo que hicieron fue integrar estos componentes individuales comunes y ensamblarlos en un nuevo sistema, dice. Ellos [desarrollaron] una funcionalidad única, es decir, el control de largo alcance de los neutrófilos.
¿Robots que combaten el cáncer en la clínica?
Mariana Medina-Snchez, bioingeniera de el Instituto Leibniz para la Investigación de Materiales y Estado Sólido de Dresden en Alemania, que no contribuyó a la investigación, dice que el estudio es valioso porque demuestra el tratamiento efectivo de los tumores in vivo, un objetivo de muchos investigadores en el campo. [El estudio] está completo, es sistemático y hay pruebas sólidas de que lo que han desarrollado está funcionando, dice ella.
Si sabe la cantidad de medicamento que carga por microrobot, puede controlar la dosis del fármaco pululando estos microrobots de forma controlada.
Mariana Medina-Snchez, Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden
Pero antes de que los microrobots puedan usarse para tratar el cáncer en las personas , todavía hay una serie de desafíos que deben superarse. Uno de ellos es mejorar el porcentaje de microrobots que llegan al tumor. Tenían una acumulación de estos microrobots basados en neutrófilos de alrededor del once por ciento en el sitio de la enfermedad [in vivo]. Entonces, ¿qué pasa con los demás? dice Medina-Snchez. Los microrobots podrían acumularse en otros órganos o regiones del cuerpo y se desconocen los efectos secundarios a largo plazo, dice. Pero esto sucede para todo tipo de microrobot, no solo para este trabajo en particular. Este es un desafío que todos deben [superar].
Una vez que los microrobots llegan al sitio de la enfermedad, otro obstáculo es asegurarse de que administren suficiente medicamento. Debe aumentar la carga útil general de medicamentos en el interior y también debe controlar la liberación prematura de medicamentos, dice Zhang. Se necesita tiempo para que el neutrófilo llegue al destino. No querrás que descarguen toda la carga útil antes de que lleguen a su destino. a los movimientos colectivos de grupos de hormigas, peces o pájaros. Si sabe la cantidad de droga que carga por microrobot, puede controlar la dosis de droga pululando estos microrobots de forma controlada, dice Medina-Snchez. Entonces, este es uno de los desafíos: cómo transportar múltiples [microrobots] de manera controlada y entregarlos en una ubicación de destino. Wu y sus colegas descubrieron que los neutrobots formaban cadenas de cuatro in vitro, y estos enjambres nadaban unas cinco veces más rápido que los bots individuales. Pero según Medina-Snchez, otros investigadores de microrobots apuntan a enjambres de cientos, miles o incluso millones. Depende del objetivo y la ubicación, dice ella. Es posible que necesite solo unos pocos o millones de ellos.
No está claro cómo los neutrobots pululaban en ratones porque las técnicas de imagen actuales no son lo suficientemente buenas para rastrear cadenas individuales o pequeñas de microrobots en tiempo real con una resolución lo suficientemente alta en vivootro desafío para la navegación precisa de estos diminutos mensajeros de drogas en humanos.
H. Zhang et al., Neutrobots biohíbridos de respuesta dual para la entrega activa de objetivos, Sci Robot, doi:10.1126/scirobotics.aaz9519, 2021.