ETH-wetenschappers gebruiken magnetische bacteriën om vloeistoffen op microniveau te controleren. Ze denken er al over om ze in de menselijke bloedbaan te gebruiken voor de nauwkeurige afgifte van kankermedicijnen aan een tumor.

Kankermedicijnen hebben bijwerkingen, dus al jaren wetenschappers hebben gezocht naar manieren om de werkzame stoffen zo precies mogelijk naar een tumor in het lichaam te transporteren. Dat is de enige plek waar medicijnen moeten werken. Eén benadering is om ze in de bloedbaan te injecteren en hun transport in kleine bloedvaten op tumorplaatsen te regelen door de bloedstroom lokaal te veranderen met kleine voertuigen. Onderzoekslaboratoria hebben microrobots gemaakt waarvan de vorm en voortstuwing zijn geïnspireerd door bacteriën en die klein genoeg zijn om in bloedvaten te worden ingebracht. Deze microvoertuigen kunnen van buiten het lichaam worden aangedreven door een bewegend magnetisch veld.

Simone Schürle, hoogleraar bij het Departement Gezondheidswetenschappen en Technologie, gaat nu een stap verder:in plaats van microrobots geïnspireerd door bacteriën, ze wil echte bacteriën gebruiken die magnetisch zijn. Onderzoekers ontdekten 45 jaar geleden dergelijke magnetotactische bacteriën in de zee. Deze micro-organismen absorberen ijzer opgelost in het water; ijzeroxidekristallen vormen zich in hun interieur en vormen een rij. Als een kompasnaald, deze bacteriën richten zich op het aardmagnetisch veld zodat ze gericht door het water kunnen navigeren.

Nauwkeurige besturing met magnetische velden

ETH-professor Schürle en haar team onderzochten hoe ze een magnetisch veld kunnen gebruiken om deze bacteriën in het laboratorium te beheersen als een manier om de stroom van vloeistoffen op een gecontroleerde manier te sturen. In hun experimenten, ze pasten slechts relatief zwakke roterende magnetische velden toe om de bacteriën in de gewenste richtingen te laten draaien. En met veel bacteriën in een zwerm, het bleek mogelijk om de vloeistof eromheen te verplaatsen. De bacteriën produceren een effect vergelijkbaar met dat van een micropomp, wat betekent dat ze in staat zijn om actieve stoffen die in de vloeistof aanwezig zijn in verschillende richtingen te verplaatsen, bijvoorbeeld vanuit de bloedbaan in het tumorweefsel. Door gesuperponeerde magnetische velden te gebruiken die elkaar plaatselijk versterken of opheffen, deze pompactiviteit kan met uiterste nauwkeurigheid worden beperkt tot een klein gebied, zoals het team van Schürle in simulaties heeft kunnen aantonen.

Bovendien, het principe kan buiten het lichaam aan het werk worden gezet om verschillende vloeistoffen plaatselijk met elkaar te mengen in zeer kleine vaten zonder mechanische micropompen te hoeven vervaardigen en aan te sturen.

Dood of levend

Hun werk is vooral gericht op het onderzoeken van de aanpak en het beschrijven hoe de bacteriën de stroming kunnen beheersen. Voordat dergelijke bacteriën in het menselijk lichaam kunnen worden gebruikt, hun veiligheid moet eerst worden onderzocht. Echter, het binnenbrengen van bacteriën in het lichaam om medische redenen is een benadering die de wetenschap al nastreeft onder de term "levende therapieën, " zij het met andere soorten bacteriën, zoals E. coli.

Het moet ook mogelijk zijn om niet-natuurlijke bacteriën te gebruiken voor toekomstige medische toepassingen. Synthetische biologie kan worden gebruikt om bacteriën te construeren met geoptimaliseerde functionele eigenschappen en die veilig zijn voor gebruik in het menselijk lichaam, bijvoorbeeld door geen allergische reacties te veroorzaken. Schürle kan behandelingen met bacteriën bedenken die worden gedood voordat ze in het lichaam worden gebracht, maar ook behandelingen met levende bacteriën.

Fijne controle door zelfaandrijving

Ook is al tientallen jaren bekend dat bepaalde soorten anaërobe bacteriën (die geen zuurstof nodig hebben om te groeien) zich bij voorkeur ophopen in tumoren van kankerpatiënten. Met andere woorden, deze bacteriën geven van nature de voorkeur aan de lage zuurstofcondities in tumoren boven de rest van het lichaam. Hoewel dit werd onderzocht bij andere bacteriën dan die gebruikt door het team van Schürle, synthetische biologie zou kunnen worden gebruikt om de voordelen van verschillende bacteriesoorten te combineren. Dit kan leiden tot de ontwikkeling van bacteriën die de tumor naderen, aangedreven door hun eigen flagella (zweepachtige aanhangsels) en vervolgens nauwkeurig diep in het tumorweefsel kunnen worden getransporteerd met behulp van externe magnetische krachten.