Een team van wetenschappers van de afdeling Physical Intelligence van het Max Planck Institute for Intelligent Systems heeft robotica gecombineerd met biologie door E. coli-bacteriën uit te rusten met kunstmatige componenten om biohybride microrobots te bouwen. Ten eerste, zoals te zien is in figuur 1, heeft het team verschillende nanoliposomen aan elke bacterie bevestigd. Op hun buitenste cirkel omsluiten deze bolvormige dragers een materiaal (ICG, groene deeltjes) dat smelt wanneer het wordt belicht door nabij-infrarood licht. Verder naar het midden, in de waterige kern, kapselen de liposomen wateroplosbare chemotherapeutische geneesmiddelmoleculen (DOX) in.

Het tweede onderdeel dat de onderzoekers aan de bacterie hechtten, zijn magnetische nanodeeltjes. Bij blootstelling aan een magnetisch veld dienen de ijzeroxidedeeltjes als een extra stimulans voor dit toch al zeer beweeglijke micro-organisme. Op deze manier is het gemakkelijker om het zwemmen van bacteriën onder controle te houden - een verbeterd ontwerp voor een in vivo toepassing. Ondertussen is het touw dat de liposomen en magnetische deeltjes aan de bacterie bindt een zeer stabiel en moeilijk te breken streptavidine- en biotinecomplex, dat een paar jaar eerder werd ontwikkeld en gerapporteerd in een Nature artikel, en komt van pas bij het bouwen van biohybride microrobots.

E. coli-bacteriën zijn snelle en veelzijdige zwemmers die kunnen navigeren door materiaal variërend van vloeistoffen tot zeer stroperige weefsels. Maar dat is niet alles, ze hebben ook zeer geavanceerde detectiemogelijkheden. Bacteriën worden aangetrokken door chemische gradiënten, zoals een laag zuurstofgehalte of een hoge zuurgraad, beide voorkomend in de buurt van tumorweefsel. Het behandelen van kanker door het injecteren van bacteriën in de buurt staat bekend als door bacteriën gemedieerde tumortherapie. De micro-organismen stromen naar de plek waar de tumor zich bevindt, groeien daar en activeren zo het immuunsysteem van patiënten. Door bacteriën gemedieerde tumortherapie is al meer dan een eeuw een therapeutische benadering.

De afgelopen decennia hebben wetenschappers gezocht naar manieren om de superkrachten van dit micro-organisme nog verder te vergroten. Ze voorzagen bacteriën van extra componenten om de strijd aan te gaan. Het toevoegen van kunstmatige componenten is echter geen gemakkelijke taak. Er zijn complexe chemische reacties in het spel en de dichtheidssnelheid van deeltjes die op de bacteriën worden geladen, is van belang om verdunning te voorkomen. Het team in Stuttgart heeft de lat inmiddels behoorlijk hoog gelegd. Ze slaagden erin om 86 van de 100 bacteriën uit te rusten met zowel liposomen als magnetische deeltjes.

De wetenschappers lieten via verschillende cursussen zien hoe ze erin slaagden om zo'n high-density oplossing extern te sturen. Eerst door een L-vormig smal kanaal met twee compartimenten aan elk uiteinde, met in elk een tumorsferoïde. Ten tweede, een nog smallere opstelling die lijkt op kleine bloedvaten. Ze voegden aan één kant een extra permanente magneet toe en lieten zien hoe ze de met medicijnen beladen microrobots precies richting tumorsferoïden sturen. En ten derde - nog een stap verder gaand - stuurde het team de microrobots door een stroperige collageengel (die lijkt op tumorweefsel) met drie niveaus van stijfheid en porositeit, variërend van zacht tot gemiddeld tot stijf. Hoe stijver het collageen, hoe strakker het web van eiwitstrengen, hoe moeilijker het voor de bacteriën wordt om een ​​weg door de matrix te vinden (Figuur 2). Het team toonde aan dat zodra ze een magnetisch veld toevoegen, de bacteriën erin slagen om helemaal naar het andere uiteinde van de gel te navigeren, omdat de bacteriën een hogere kracht hadden. Door constante uitlijning vonden de bacteriën een weg door de vezels.

Zodra de microrobots zijn verzameld op het gewenste punt (de tumorsferoïde), genereert een nabij-infraroodlaser stralen met temperaturen tot 55 graden Celsius, waardoor een smeltproces van het liposoom en een afgifte van de bijgevoegde medicijnen wordt geactiveerd. Een lage pH-waarde of een zure omgeving zorgt er ook voor dat de nanoliposomen openbreken, waardoor de medicijnen automatisch in de buurt van een tumor worden afgegeven.

"Stel je voor dat we dergelijke microrobots op basis van bacteriën in het lichaam van een kankerpatiënt zouden injecteren. Met een magneet zouden we de deeltjes precies naar de tumor kunnen sturen. Zodra er voldoende microrobots de tumor omringen, richten we een laser op het weefsel en daardoor wordt de medicijnafgifte geactiveerd . Now, not only is the immune system triggered to wake up, but the additional drugs also help destroy the tumor," says Birgül Akolpoglu, a Ph.D. student in the Physical Intelligence Department at MPI-IS. She is the first author of the publication titled "Magnetically steerable bacterial microrobots moving in 3D biological matrices for stimuli-responsive cargo delivery" co-led by former postdoctoral researcher in the Physical Intelligence Department, Dr. Yunus Alapan. It was published in Science Advances on July 15, 2022.

"This on-the-spot delivery would be minimally invasive for the patient, painless, bear minimal toxicity and the drugs would develop their effect where needed and not inside the entire body," Alapan adds.

"Bacteria-based biohybrid microrobots with medical functionalities could one day battle cancer more effectively. It is a new therapeutic approach not too far away from how we treat cancer today," says Prof. Dr. Metin Sitti, who leads the Physical Intelligence Department and is the last author of the publication. "The therapeutic effects of medical microrobots in seeking and destroying tumor cells could be substantial. Our work is a great example of basic research that aims to benefit our society." + Verder verkennen

Magnetic bacteria as micropumps