MIT-ingenieurs hebben kleine robots ontworpen die kunnen helpen bij het afleveren van nanodeeltjes uit de bloedbaan en in een tumor of een andere ziekteplaats. Net als knutselen in "Fantastic Voyage" - een sciencefictionfilm uit de jaren 60 waarin een onderzeeërbemanning kleiner wordt en door een lichaam dwaalt om beschadigde cellen te repareren - zwemmen de robots door de bloedbaan, een stroom creëren die nanodeeltjes met zich meesleept.

De magnetische microrobots, geïnspireerd door bacteriële voortstuwing, zou kunnen helpen om een ​​van de grootste obstakels voor het afleveren van medicijnen met nanodeeltjes te overwinnen:de deeltjes de bloedvaten laten verlaten en zich op de juiste plaats ophopen.

"Als je nanomaterialen in de bloedbaan stopt en ze richt op ziek weefsel, de grootste barrière voor dat soort lading die in het weefsel komt, is de bekleding van het bloedvat, " zegt Sangeeta Bhatia, de John en Dorothy Wilson hoogleraar gezondheidswetenschappen en technologie en elektrotechniek en computerwetenschappen, een lid van MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research en het Institute for Medical Engineering and Science, en de senior auteur van de studie.

"Ons idee was om te kijken of je magnetisme kunt gebruiken om vloeistofkrachten te creëren die nanodeeltjes in het weefsel duwen, " voegt Simone Schuerle toe, een voormalig MIT-postdoc en hoofdauteur van het artikel, die verschijnt in het nummer van 26 april van wetenschappelijke vooruitgang .

In dezelfde studie, de onderzoekers toonden ook aan dat ze een soortgelijk effect konden bereiken met zwermen levende bacteriën die van nature magnetisch zijn. Elk van deze benaderingen zou geschikt kunnen zijn voor verschillende soorten medicijnafgifte, zeggen de onderzoekers.

Kleine robots

Schuerle, die nu assistent-professor is aan het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie (ETH Zürich), begon voor het eerst te werken aan kleine magnetische robots als een afgestudeerde student in Brad Nelson's Multiscale Robotics Lab aan de ETH Zürich. Toen ze in 2014 als postdoc naar Bhatia's lab kwam, ze begon te onderzoeken of dit soort bots zou kunnen helpen om de toediening van nanodeeltjes efficiënter te maken.

In de meeste gevallen, onderzoekers richten hun nanodeeltjes op ziekteplaatsen die worden omgeven door "lekkende" bloedvaten, zoals tumoren. Hierdoor kunnen de deeltjes gemakkelijker in het weefsel komen, maar het leveringsproces is nog steeds niet zo effectief als het zou moeten zijn.

Het MIT-team besloot te onderzoeken of de krachten die worden gegenereerd door magnetische robots een betere manier kunnen bieden om de deeltjes uit de bloedbaan en in de doellocatie te duwen.

De robots die Schuerle in dit onderzoek gebruikte, zijn 35 honderdsten van een millimeter lang, vergelijkbaar in grootte met een enkele cel, en kan worden bestuurd door een extern magnetisch veld aan te leggen. Deze bio-geïnspireerde robot, die de onderzoekers een "kunstmatig bacterieel flagellum, " bestaat uit een kleine helix die lijkt op de flagella die veel bacteriën gebruiken om zichzelf voort te stuwen. Deze robots zijn 3D-geprint met een 3D-printer met hoge resolutie en vervolgens bedekt met nikkel, waardoor ze magnetisch zijn.

Om het vermogen van een enkele robot te testen om nabije nanodeeltjes te besturen, de onderzoekers creëerden een microfluïdisch systeem dat de bloedvaten nabootst die tumoren omringen. Het kanaal in hun systeem, tussen 50 en 200 micron breed, is bekleed met een gel die gaten heeft om de gebroken bloedvaten te simuleren die in de buurt van tumoren worden gezien.

Met behulp van externe magneten, de onderzoekers pasten magnetische velden toe op de robot, waardoor de helix draait en door het kanaal zwemt. Omdat vloeistof in de tegenovergestelde richting door het kanaal stroomt, de robot blijft stilstaan ​​en creëert een convectiestroom, die 200 nanometer polystyreendeeltjes in het modelweefsel duwt. These particles penetrated twice as far into the tissue as nanoparticles delivered without the aid of the magnetic robot.

This type of system could potentially be incorporated into stents, which are stationary and would be easy to target with an externally applied magnetic field. Such an approach could be useful for delivering drugs to help reduce inflammation at the site of the stent, Bhatia says.

Bacterial swarms

The researchers also developed a variant of this approach that relies on swarms of naturally magnetotactic bacteria instead of microrobots. Bhatia has previously developed bacteria that can be used to deliver cancer-fighting drugs and to diagnose cancer, exploiting bacteria's natural tendency to accumulate at disease sites.

Voor deze studie is the researchers used a type of bacteria called Magnetospirillum magneticum, which naturally produces chains of iron oxide. These magnetic particles, known as magnetosomes, help bacteria orient themselves and find their preferred environments.

The researchers discovered that when they put these bacteria into the microfluidic system and applied rotating magnetic fields in certain orientations, the bacteria began to rotate in synchrony and move in the same direction, pulling along any nanoparticles that were nearby. In this case, the researchers found that nanoparticles were pushed into the model tissue three times faster than when the nanoparticles were delivered without any magnetic assistance.

This bacterial approach could be better suited for drug delivery in situations such as a tumor, where the swarm, controlled externally without the need for visual feedback, could generate fluidic forces in vessels throughout the tumor.

The particles that the researchers used in this study are big enough to carry large payloads, including the components required for the CRISPR genome-editing system, Bhatia says. She now plans to collaborate with Schuerle to further develop both of these magnetic approaches for testing in animal models.