Bubble Bots:biocompatibele microrobots die autonoom naar tumoren navigeren

Robotica &Automatisering INSIDER

De wetenschappers creëerden twee verschillende soorten bubbelbots. Degenen die bovenaan deze afbeelding worden geïllustreerd, zijn gemodificeerd met magnetische nanodeeltjes en met externe magneten naar een tumordoel gericht. De onderaan geïllustreerde bots hebben verschillende enzymen die aan het oppervlak zijn gebonden en volgen een chemische gradiënt om het tumordoel onafhankelijk te lokaliseren. (Afbeelding:Gao Lab/Caltech)

Het potentieel van microrobots is enorm. Deze miniatuurobjecten kunnen worden ontworpen om acties in het lichaam uit te voeren, zoals het detecteren van biomarkers, het manipuleren van objecten zoals bloedstolsels of het toedienen van medicijntherapieën aan tumorplaatsen. Maar het is een uitdaging om uit te vinden hoe de kleine bots effectief, biocompatibel en kosteneffectief kunnen worden gemaakt. Nu heeft een door Caltech geleid team een ​​enorme stap gezet in de richting van het maken van de volgende generatie microrobots voor medicijnafgifte. Ze hebben zowel de structuur van de microrobots als hun productiemethode vereenvoudigd, terwijl ze de bots zeer effectief en ‘slim’ genoeg hebben gemaakt om zichzelf op een tumor te richten.

Het team van Caltech- en USC-wetenschappers beschrijft de bubble-bots en hun succesvolle toepassing bij de behandeling van blaastumoren bij muizen in een artikel dat verschijnt in het nummer van 2 februari van het tijdschrift Nature Nanotechnology .

Het team, onder leiding van Wei Gao, hoogleraar medische technologie bij Caltech en onderzoeker van het Heritage Medical Research Institute, gebruikte eerder echografie en magnetische begeleiding in een diermodel om miniatuur 3D-geprinte robots naar een tumor te brengen, waar ze biologisch konden worden afgebroken en hun lading konden vrijgeven:kankerbestrijdende medicijnen. Deze microrobots werden vervaardigd in een cleanroom met gespecialiseerde apparatuur en hadden een hydrogelomhulsel gemaakt van een geleiachtig polymeer rond een microbel. Deze schaal hielp de bots voort te stuwen en zorgde voor een uitstekend beeldcontrast, zodat onderzoekers ze in het lichaam konden volgen.

"We dachten:wat als we dit nog eenvoudiger zouden maken en van de bubbel zelf een robot zouden maken?" zei Gao. "We kunnen gemakkelijk bellen maken en weten al dat ze zeer biocompatibel zijn. En als je ze wilt laten barsten, dan kan dat meteen."

Het team ontwikkelde een methode om zulke eenvoudige bubbelbots te maken. Met behulp van een ultrasone sonde roerden ze een oplossing bestaande uit BSA (runderserumalbumine, een standaard dierlijk eiwit dat vaak wordt gebruikt in laboratoriumexperimenten) om duizenden microbellen met eiwitomhulsels te maken.

Vervolgens profiteerden de wetenschappers van een ander kenmerk van de eiwitomhulling:de overvloedige aminegroepen die op het oppervlak aanwezig zijn. Aminegroepen zijn een verzameling atomen met een koolstof-stikstofbinding, die gemakkelijk chemisch kunnen worden gemodificeerd. Door zich aan deze aminegroepen te binden, creëerden de onderzoekers twee soorten microrobots met verschillende manieren om hun bewegingen te controleren. En antikankermedicijnen zoals doxorubicine kunnen zich met succes aan het oppervlak van beide versies binden.

De wetenschappers bevestigden het enzym urease aan het oppervlak van beide versies van de bubblebots. Urease fungeert als een kleine motor om de robots in beweging te krijgen. Het enzym katalyseert een reactie met ureum, een overvloedig afvalproduct dat door het hele lichaam wordt aangetroffen en dat als een soort biobrandstof voor de robots dient, waarbij ammoniak en kooldioxide vrijkomen. Omdat urease niet gelijkmatig over het oppervlak van de belletjes wordt verdeeld, zullen zich na verloop van tijd meer van deze producten aan de ene kant ophopen dan aan de andere kant. Die onbalans creëert een asymmetrische chemische omgeving rond de bel, waardoor een netto ‘push’ ontstaat die de microrobots vooruit stuwt.

In de eerste versie bevestigde het team magnetische nanodeeltjes aan het oppervlak van de bubbelbots, waardoor ze magnetisch responsief werden. Met behulp van echografie van de microbellen in de binnenkant van de bots konden de bellenbots met externe magneten worden bestuurd om op een doel in het lichaam af te gaan.

Maar de onderzoekers wilden nog een stap verder gaan. "We wilden de robots intelligenter maken", zei Gao. Wetende dat tumoren en ontstekingen hoge concentraties waterstofperoxide produceren in vergelijking met normale cellen, besloot het team een ​​extra enzym genaamd catalase te binden aan het oppervlak van een tweede versie van de microrobots. Catalase zorgt voor een reactie met waterstofperoxide, waardoor water en zuurstof ontstaan. Door wat bekend staat als chemotactisch gedrag bewegen de aan catalase gebonden belletjes zich automatisch naar hogere concentraties waterstofperoxide, waardoor ze richting tumoren worden gestuurd.

"In dit geval heb je geen beeldvorming nodig; je hebt geen externe controle nodig. De robot is slim genoeg om de tumor te vinden", legt Gao uit. "De autonome beweging van de bellenrobot, samen met zijn vermogen om de waterstofperoxidegradiënt waar te nemen, leidt tot deze targeting, die we chemotactische tumortargeting noemen."

Zodra de bellenbots hun doel bereiken, kunnen de wetenschappers gerichte echografie toepassen om de bellen te laten barsten, waardoor hun therapeutische lading vrijkomt. Die sterke barstende werking verbetert de penetratie van het medicijn in de tumor in vergelijking met de langzaam afbrekende hydrogelrobots die eerder door het team werden gebruikt.

Toen de wetenschappers muizen met bubblebots injecteerden om antitumormedicijnen toe te dienen, constateerden ze een afname van ongeveer 60 procent in het gewicht van blaastumoren over een tijdsbestek van 21 dagen, vergeleken met muizen die alleen het medicijn kregen.

"Dit bubbelrobotplatform is eenvoudig, maar integreert wat je nodig hebt voor therapie:biocompatibiliteit, bestuurbare bewegingen, beeldbegeleiding en een on-demand trigger die het medicijn helpt dieper in de tumor door te dringen. Ons doel is altijd geweest om microrobots dichter bij echt klinisch gebruik te brengen, en dit robotontwerp is een grote stap in die richting", aldus de hoofdauteur van het artikel, Songsong Tang, die het werk voltooide tijdens zijn tijd als postdoctoraal onderzoeker in Gao's laboratorium bij Caltech.

Bron