Nanobots zijn machines waarvan de componenten zich op nanoschaal (een miljoenste millimeter), en kunnen zo worden ontworpen dat ze autonoom in vloeistoffen kunnen bewegen. Hoewel ze zich nog in de onderzoeks- en ontwikkelingsfase bevinden, Er worden aanzienlijke vorderingen gemaakt in de richting van het gebruik van nanorobots in de medische biologie. Hun toepassingen zijn gevarieerd, van de identificatie van tumorcellen tot het vrijgeven van medicijnen op specifieke locaties in het lichaam. Nanorobots aangedreven door katalytische enzymen behoren tot de meest veelbelovende systemen omdat ze volledig biocompatibel zijn en gebruik kunnen maken van "brandstoffen" die al in het lichaam beschikbaar zijn voor hun voortstuwing. Echter, het begrijpen van het collectieve gedrag van deze nanorobots is essentieel om vooruitgang te boeken in de richting van hun gebruik in de klinische praktijk.

Nutsvoorzieningen, in een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap Robotica , onderzoekers onder leiding van ICREA-onderzoeksprofessor Samuel Sánchez en zijn team "Smart Nano-Bio-Devices" aan het Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC), samen met de groep Radiochemistry &Nuclear Imaging Lab van CIC biomaGUNE onder leiding van Jordi Llop en de Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), zijn erin geslaagd om in vivo het collectieve gedrag van een groot aantal autonome nanorobots in de blaas van levende muizen te observeren met behulp van radioactieve isotooplabeling.

"Het feit dat we hebben kunnen zien hoe nanorobots samen bewegen, als een zwerm, en om ze te volgen binnen een levend organisme, is belangrijk, aangezien er miljoenen van nodig zijn om specifieke pathologieën te behandelen, zoals bijvoorbeeld, kanker tumoren, " zegt Samuel Sánchez, hoofdonderzoeker bij IBEC.

"We hebben voor het eerst aangetoond dat nanorobots in vivo kunnen worden gevolgd door middel van Positron Emission Tomography (PET), een zeer gevoelige, niet-invasieve techniek die wordt gebruikt in de biomedische omgeving, " zegt Jordi Llop, hoofdonderzoeker bij het Radiochemistry &Nuclear Imaging Lab van CIC biomaGUNE.

Om dit te doen, deden de onderzoekers eerst in vitro experimenten, monitoring van de nanorobots door middel van optische microscopie en positronemissietomografie (PET). Met beide technieken konden ze observeren hoe de nanodeeltjes zich vermengden met de vloeistoffen en in staat waren te migreren, collectief, complexe paden volgen. De nanorobots werden vervolgens intraveneus toegediend aan muizen en, Tenslotte, geïntroduceerd in de blazen van deze dieren. Omdat nanorobots zijn gecoat met een enzym dat urease wordt genoemd, die het ureum uit urine als brandstof gebruikt, ze zwemmen samen en induceren vloeistofstromen in de blaas.

Collectieve bewegingen vergelijkbaar met zwermen vogels of scholen vissen

Het team van wetenschappers ontdekte dat de verdeling van nanodevices in de blaas van de muizen homogeen was, wat aangeeft dat de collectieve beweging gecoördineerd en efficiënt was. "Nanorobots laten collectieve bewegingen zien die vergelijkbaar zijn met die in de natuur, zoals vogels die in zwermen vliegen, of de ordelijke patronen die scholen vissen volgen, " legt Samuel Sánchez uit, ICREA Onderzoekshoogleraar bij IBEC. "We hebben gezien dat nanorobots die urease op het oppervlak hebben veel sneller bewegen dan degenen die dat niet doen. daarom, een proof of concept van de oorspronkelijke theorie dat nanorobots een tumor beter kunnen bereiken en erin kunnen doordringen, " zegt Jordi Llop, hoofdonderzoeker bij CIC biomaGUNE.

Deze studie toont de hoge efficiëntie aan van miljoenen nanoscopische apparaten om op een gecoördineerde manier te bewegen in zowel in vitro als in vivo omgevingen, een feit dat een fundamentele vooruitgang vormt in de race van nanorobots om de belangrijkste spelers te worden in zeer nauwkeurige therapieën en behandelingen. Toekomstige toepassingen in de geneeskunde van deze apparaten op nanoschaal zijn veelbelovend. Er is ook aangetoond "dat de beweging van deze apparaten kan worden gevolgd met behulp van beeldvormingstechnieken die kunnen worden toegepast op de in vivo omgeving, met andere woorden, ze kunnen worden toegepast bij proefdieren en bieden de mogelijkheid voor overdracht op mensen, " zegt Cristina Simó, een van de eerste auteurs van de studie en een onderzoeker in de CIC biomaGUNE-groep.

"Dit is de eerste keer dat we de actieve diffusie van biocompatibele nanorobots in biologische vloeistoffen in vivo direct kunnen visualiseren. De mogelijkheid om hun activiteit in het lichaam te volgen en het feit dat ze een meer homogene verdeling vertonen, kan een revolutie teweegbrengen in de manier waarop we begrijpen op nanodeeltjes gebaseerde medicijnafgifte en diagnostische benaderingen, " zegt Tania Patiño, co-corresponderende auteur van het artikel.

Nanobot-zwermen kunnen vooral nuttig zijn in viskeuze media, waar de diffusie van geneesmiddelen vaak wordt beperkt door slechte vascularisatie, zoals in het maagdarmkanaal, het oog, of de gewrichten. "In feite, omdat verschillende enzymen in de kleine motoren kunnen worden opgenomen, nanorobots kunnen worden aangepast aan het onderdeel in het organisme, het apparaat aanpassen aan de toegankelijke brandstof in de omgeving waar het zich moet verplaatsen, " concludeert professor Sánchez.