Nanodeeltjes (NP's) zijn een veelbelovend platform voor het toedienen van medicijnen voor de behandeling van een verscheidenheid aan ziekten, waaronder kanker, hart- en vaatziekten en ontstekingen. Toch is de efficiëntie van NP-overdracht naar het zieke weefsel van belang beperkt vanwege een assortiment van fysiologische barrières. Een belangrijke hindernis is het transport van NP's om het beoogde doelweefsel precies te bereiken. In een recente studie, S. Schuerle en een team van interdisciplinaire onderzoekers van de afdelingen Translationele Geneeskunde, Biofysica, technische robotica, Nanogeneeskunde en elektronica, in Zwitserland, het VK en de VS ontwikkelden twee verschillende op microrobots gebaseerde micropropellers om de uitdaging aan te gaan.

Ze gebruikten roterende magnetische velden (RMF's) om de apparaten van stroom te voorzien en lokale vloeistofconvectie te creëren om het diffusiebeperkte transport van nanodeeltjes te overwinnen. Tijdens de eerste experimentele benadering, ze gebruikten een enkele synthetische magnetische microrobot als een kunstmatig bacterieel flagellum (ABF) en gebruikten vervolgens zwermen van een natuurlijk voorkomende magnetotactische bacterie (MTB) om een ​​"levend ferrofluïdum" te creëren door gebruik te maken van de ferrohydrodynamica. Met behulp van beide benaderingen verbeterden de wetenschappers het transport van NP's in een microfluïdisch model van bloedextravasatie (beweging van een medicijn van bloedvaten naar het uitwendige weefsel) en weefselpenetratie in microkanalen omgeven door een collageenmatrix om een ​​biomimetische weefsel-vatinterface in de laboratorium. De resultaten van het onderzoek zijn nu gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Nanodeeltjes (NP's) worden steeds populairder in de nanogeneeskunde vanwege het biomedische onderzoekspotentieel als dragers bij medicijnafgifte die de grenzen van de conventionele geneeskunde overschrijden. Terwijl NP's zijn ontworpen om de farmacokinetiek en biodistributie van bestaande geneesmiddelen te veranderen, ze worden belemmerd door fysiologische barrières, die een succesvolle accumulatie op de plaatsen van de ziekte voorkomen, hun therapeutische effecten in vivo te beperken. Tijdens kankertherapie, bijvoorbeeld, medicijndragers komen abnormale bloedvaten tegen die de tumorarchitectuur omringen voor ineffectieve intraveneuze medicijnafgifte.

Aangezien het afleveren van NP's in weefsels sterk wordt beïnvloed door hun fysiochemische eigenschappen, wetenschappers hebben de NP-vormen en -afmetingen opnieuw ontworpen om hun transportkinetiek door vaatwanden te optimaliseren om weefsels te bereiken. Onderzoekers hadden eerder meertrapsbenaderingen voorgesteld voor geoptimaliseerde medicijnafgifte, ofwel door nanodeeltjes in de tijd te laten krimpen, of ze te fragmenteren om zich te verspreiden en pas een interessante plaats te bereiken nadat ze in vivo micro-omgevingssignalen van ziekte zijn tegengekomen.

Over het algemeen, NP-transport wordt beïnvloed door oppervlaktelading, hydrofobiciteit en oppervlaktebiochemie; eigenschappen die actief kunnen worden geoptimaliseerd in onderzoekswerk voor effectievere in vivo mensenhandel. Wetenschappers hebben externe energiebronnen zoals magnetische en akoestische krachten gebruikt om draadloos bestuurde microbots te creëren en de therapieën naar ziek weefsel te brengen voor verbeterd diffuus transport. Echter, deze methoden waren nog steeds afhankelijk van diffuus transport na het lossen van hun lading aan boord, terwijl de behoefte blijft bestaan ​​aan duidelijkere strategieën voor vervoer naar een bepaalde locatie.

In het huidige werk, Schuerle et al. gedetailleerde twee verschillende strategieën om draadloos gelokaliseerde convectieve stroming te genereren om de invasiviteit van geïmplanteerde nanodeeltjes te voorkomen. Geïnspireerd door het veld van microrobots (microbots), de wetenschappers gebruikten (1) een enkele, synthetisch, op bacteriën geïnspireerde microrobot, of (2) grote zwermen levende bacteriën om gelokaliseerd NP-transport aan te sturen. De kunstmatige en natuurlijke micropropellers hielpen het proces door magnetisch aangedreven convectie te bevorderen naar een gedefinieerde locatie in een magnetofluidische opstelling met potentieel voor therapeutische toepassingen.

De synthetische microbot imiteerde bacteriële voortstuwing met behulp van een kunstmatige bacteriële flagellum (ABF), terwijl de dichte zwermen magnetotactische bacteriën (MTB) aangewend door Schuerle et al. kwamen van nature voor als gramnegatieve prokaryoten ( Magnetospirillum magneticum ) met magnetische eigenschappen. De wetenschappers verwachten dat de resultaten in de toekomst bestaande transportbarrières zullen overwinnen voor verbeterde NP-weefselpenetratie via draadloze controle en ruimtelijk en tijdgebonden nauwkeurige lokale convectie.

Schuerle et al. de magnetische ABF ontwikkeld met behulp van driedimensionale (3-D) lithografie en metaalafzetting, zoals eerder gemeld. De bio-geïnspireerde microrobots bootsten de roterende flagella na voor efficiënte voortstuwingsgebaseerde voortbeweging op microschaal - waar viskeuze sleepkrachten domineren. Ze bestuurden de ABF-beweging met uniforme magnetische velden in 3D-rotatie met behulp van een draadloze magnetische besturingsopstelling met elektromagneten die rond een enkele halve bol waren gerangschikt.

Vervolgens monteerden ze de opstelling op een omgekeerde microscoop om de bewegingen van de gecontroleerde microrobots te volgen. De roterende magnetische velden (RMF's) maakten voorwaartse voortstuwing en convectieve stroming in de omringende vloeistof mogelijk en toen de wetenschappers de ABF onderdompelden in een suspensie van fluorescerende NP's, ze observeerden gecontroleerde stroming voor massatransport van de NP's.

In het experiment, ze construeerden de onderste laag van het microfluïdische kanaal om de 200 nm NP's te bevatten die vergelijkbaar zijn met de grootte die wordt gebruikt in klinische toepassingen, terwijl ze op de bovenste vloeistoflaag een suspensie van zuiver waterig medium in stand hielden. De wetenschappers plaatsten de ABF in het midden van de opstelling om zijn positie tegen de stroom in te behouden door de vloeistofstroom in de opstelling te regelen. Deze opstelling van de ABF in een microfluïdisch kanaal verstoorde de laminaire stroming om convectie te produceren, die NP's van de vloeistoflaag aan de onderkant naar de bovenste laag transporteerde - om de kanaalwand te bereiken, d.w.z., de locatie van interesse.

De wetenschappers ontwikkelden ook een enkelvoudig vloeistofstroommodel in een microkanaal om een ​​biogeïnspireerd microvat te vormen met biomimetische schalen en vloeistofstroomsnelheden. Het model bevatte geconcentreerd collageen in het midden dat de natuurlijke extracellulaire matrix nabootste. Met behulp van het apparaat, Schuerle et al. kwantificeerde de fluorescentie-intensiteit in de biomimetische matrix om te testen of de magnetisch gecontroleerde ABF het massatransport van fluorescent gelabelde NP's in de weefsel-nabootsende matrix zou kunnen verbeteren. De resultaten gaven aan dat ABF's beperkt waren als een convectieve micropropller in kleinere vaten, maar dit kan worden gewijzigd door de ABF-structuur in de toekomst aan te passen aan de kanaalgrootte.

De wetenschappers bekeken vervolgens de effecten van een hele zwerm kleinere microrobotpropellers. Voor deze, Schuerle et al. selecteerde de wildtype MTB-stam AMB-1 ( Magnetospirillum magneticum ) om magnetosomen te vormen. De micro-organismen produceerden van nature ketens van ijzeroxidedeeltjes in lipidedubbellagen van het plasmamembraan voor gemanipuleerde beweging met behulp van externe magnetische velden. Terwijl onderzoekers MTB's in eerdere onderzoeken hadden gebruikt als potentiële voertuigen voor medicijnafgifte met externe magnetische velden, Schuerle et al. gebruikte roterende magnetische velden (RMF's) in het huidige werk. De RMF's dwongen de beweging van een MTB-zwerm om hun beweging aan te drijven via magnetisch koppel.

De wetenschappers verlaagden de gemiddelde afstand tussen de bacteriën door een hoge concentratie MTB's te gebruiken om de celburen naar voren te duwen in 3D-zwermen die worden gedomineerd door hydrodynamische krachten. Ze hebben geen clustering of aggregatie van de MTB-magnetosomen waargenomen bij blootstelling aan RMF's, omdat de magnetosomen inherent werden afgeschermd door de bacteriële celmembranen voor gecontroleerde vloeistofstroom. Schuerle et al. herhaalde de experimenten voor biomimicry met behulp van een microfluïdisch apparaat dat collageen bevat om aan te tonen dat MTB-zwermen collageen konden binnendringen, wanneer voldoende hoge concentraties MTB's werden gebruikt.

Op deze manier, met behulp van twee experimentele strategieën Schuerle et al. verbeterde het massatransport van NP's, via convectieve stroming gegenereerd door magnetisch gestuurde micropropellers. De microrobot-experimenten toonden aan dat ABF een bacterieel flagellum nabootste om NP-accumulatie en penetratie in een dichte collageenmatrix te helpen - wanneer erop wordt gereageerd door RMF's. Schuerle et al. stellen voor om dergelijke stationaire ABF's in stents op te nemen om de afgifte van geneesmiddelen op gang te brengen en de penetratie op een interessante plaats te verbeteren om ontstekingen op verzoek tegen te gaan.

Met de tweede strategie ze concentreerden zich op het genereren van dezelfde techniek, maar met magnetotactische bacteriestammen (MTB's). Op basis van het huidige werk en de bestaande tumor-homing-eigenschappen van MTB's, de wetenschappers stellen zich magnetisch gecontroleerde zwermen 3D MTB's voor om NP's te transporteren in de interstitiële vloeistofruimte van micro-omgevingen van tumoren. De wetenschappers zullen de dichtheid van bacteriën optimaliseren voor een compatibele dosis in vivo en het werk zal de weg vrijmaken voor verdere studies over micro- en nanomaterialen voor magnetisch verbeterd NP-transport in klinische nanogeneeskunde.

© 2019 Wetenschap X Netwerk