Microrobots biohíbridos basados ​​en bacterias en una misión para luchar algún día contra el cáncer

Un equipo de científicos del Departamento de Inteligencia Física del Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes ha combinado la robótica con la biología al equipar a la bacteria E. coli con componentes artificiales para construir microrobots biohíbridos. Primero, como se puede ver en la Figura 1, el equipo adjuntó varios nanoliposomas a cada bacteria. En su círculo exterior, estos portadores de forma esférica encierran un material (ICG, partículas verdes) que se derrite cuando se ilumina con luz infrarroja cercana. Más hacia el medio, dentro del núcleo acuoso, los liposomas encapsulan moléculas de fármacos quimioterapéuticos solubles en agua (DOX).

El segundo componente que los investigadores adhirieron a la bacteria son las nanopartículas magnéticas. Cuando se exponen a un campo magnético, las partículas de óxido de hierro sirven como refuerzo superior para este microorganismo que ya es muy móvil. De esta forma, es más fácil controlar la natación de bacterias: un diseño mejorado para una aplicación in vivo. Mientras tanto, la cuerda que une los liposomas y las partículas magnéticas a la bacteria es un complejo de estreptavidina y biotina muy estable y difícil de romper, que se desarrolló unos años antes y se informó en a Naturaleza artículoy resulta útil cuando se construyen microrobots biohíbridos.

Las bacterias E. coli son nadadores rápidos y versátiles que pueden navegar a través de materiales que van desde líquidos hasta tejidos altamente viscosos. Pero eso no es todo, también tienen capacidades de detección muy avanzadas. Las bacterias se sienten atraídas por los gradientes químicos, como los bajos niveles de oxígeno o la alta acidez, ambos prevalentes cerca del tejido tumoral. El tratamiento del cáncer mediante la inyección de bacterias en las proximidades se conoce como terapia tumoral mediada por bacterias. Los microorganismos fluyen hacia donde se encuentra el tumor, allí crecen y de esta manera activan el sistema inmunológico de los pacientes. La terapia tumoral mediada por bacterias ha sido un enfoque terapéutico durante más de un siglo.

Durante las últimas décadas, los científicos han buscado formas de aumentar aún más los superpoderes de este microorganismo. Equiparon a las bacterias con componentes adicionales para ayudar a pelear la batalla. Sin embargo, agregar componentes artificiales no es tarea fácil. Están en juego reacciones químicas complejas, y la tasa de densidad de las partículas cargadas en las bacterias es importante para evitar la dilución. El equipo de Stuttgart ha subido el listón bastante alto. Consiguieron equipar a 86 de 100 bacterias con liposomas y partículas magnéticas.

Los científicos mostraron cómo lograron dirigir externamente una solución de tan alta densidad a través de diferentes cursos. Primero, a través de un canal angosto en forma de L con dos compartimentos en cada extremo, con un esferoide tumoral en cada uno. En segundo lugar, una configuración aún más estrecha que se asemeja a pequeños vasos sanguíneos. Agregaron un imán permanente adicional en un lado y mostraron cómo controlan con precisión los microrobots cargados de drogas hacia los esferoides tumorales. Y tercero, yendo un paso más allá, el equipo condujo los microrobots a través de un gel de colágeno viscoso (que se asemeja al tejido tumoral) con tres niveles de rigidez y porosidad, que van desde suave a medio y rígido. Cuanto más rígido es el colágeno, más estrecha es la red de cadenas de proteínas y más difícil se vuelve para las bacterias encontrar un camino a través de la matriz (Figura 2). El equipo demostró que una vez que agregan un campo magnético, las bacterias logran navegar hasta el otro extremo del gel ya que las bacterias tenían una fuerza mayor. Debido a la alineación constante, las bacterias encontraron un camino a través de las fibras.

Una vez que los microrobots se acumulan en el punto deseado (el esferoide del tumor), un láser de infrarrojo cercano genera rayos con temperaturas de hasta 55 grados centígrados, lo que desencadena un proceso de fusión del liposoma y la liberación de los fármacos incluidos. Un nivel de pH bajo o un ambiente ácido también hace que los nanoliposomas se rompan, por lo que los medicamentos se liberan automáticamente cerca de un tumor.

Figura 2. Esquema que muestra microrobots biohíbridos bacterianos guiados magnéticamente a través de entornos fibrosos. Los biohíbridos bacterianos pueden liberar su carga útil con la irradiación NIR. Crédito: Avances de la ciencia (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo6163

«Imagínese que inyectaríamos esos microrobots basados ​​en bacterias en el cuerpo de un paciente con cáncer. Con un imán, podríamos dirigir con precisión las partículas hacia el tumor. Una vez que suficientes microrobots rodean el tumor, apuntamos un láser al tejido y así activamos la liberación del fármaco. Ahora, no solo se activa el sistema inmunitario para que se despierte, sino que los medicamentos adicionales también ayudan a destruir el tumor», dice Birgül Akolpoglu, Ph.D. estudiante del Departamento de Inteligencia Física del MPI-IS. Es la primera autora de la publicación titulada «Microrobots bacterianos orientables magnéticamente que se mueven en matrices biológicas 3D para la entrega de carga sensible a estímulos» codirigida por el ex investigador postdoctoral en el Departamento de Inteligencia Física, el Dr. Yunus Alapan. fue publicado en Avances de la ciencia el 15 de julio de 2022.

«Esta entrega en el lugar sería mínimamente invasiva para el paciente, indolora, con una toxicidad mínima y los medicamentos desarrollarían su efecto donde se necesita y no dentro de todo el cuerpo», agrega Alapan.

«Los microrobots biohíbridos basados ​​en bacterias con funcionalidades médicas podrían algún día combatir el cáncer de manera más efectiva. Es un nuevo enfoque terapéutico no muy lejano de cómo tratamos el cáncer hoy en día», dice el Prof. Dr. Metin Sitti, quien dirige el Departamento de Inteligencia Física y es el último autor de la publicación. «Los efectos terapéuticos de los microrobots médicos en la búsqueda y destrucción de células tumorales podrían ser sustanciales. Nuestro trabajo es un gran ejemplo de investigación básica que tiene como objetivo beneficiar a nuestra sociedad».