Los ingenieros del MIT han diseñado pequeños robots que pueden ayudar a que las nanopartículas de administración de fármacos se abran paso fuera del torrente sanguíneo y en un tumor u otro sitio de la enfermedad. Como manualidades en "Viaje fantástico", una película de ciencia ficción de la década de 1960 en la que la tripulación de un submarino se encoge de tamaño y deambula por un cuerpo para reparar células dañadas, los robots nadan a través del torrente sanguíneo. creando una corriente que arrastra nanopartículas con ellas.

Los microrobots magnéticos, inspirado por la propulsión bacteriana, podría ayudar a superar uno de los mayores obstáculos para administrar medicamentos con nanopartículas:lograr que las partículas salgan de los vasos sanguíneos y se acumulen en el lugar correcto.

"Cuando pones nanomateriales en el torrente sanguíneo y los diriges al tejido enfermo, la barrera más grande para que ese tipo de carga útil penetre en el tejido es el revestimiento de los vasos sanguíneos, "dice Sangeeta Bhatia, el Profesor John y Dorothy Wilson de Ciencias y Tecnología de la Salud e Ingeniería Eléctrica e Informática, miembro del Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer del MIT y su Instituto de Ingeniería y Ciencia Médicas, y el autor principal del estudio.

"Nuestra idea era ver si se puede utilizar el magnetismo para crear fuerzas fluidas que empujan las nanopartículas hacia el tejido, "añade Simone Schuerle, un ex postdoctorado del MIT y autor principal del artículo, que aparece en la edición del 26 de abril de Avances de la ciencia .

En el mismo estudio, los investigadores también demostraron que podrían lograr un efecto similar utilizando enjambres de bacterias vivas que son naturalmente magnéticas. Cada uno de estos enfoques podría ser adecuado para diferentes tipos de administración de fármacos, dicen los investigadores.

Pequeños robots

Schuerle, quien ahora es profesor asistente en el Instituto Federal Suizo de Tecnología (ETH Zurich), Comenzó a trabajar en pequeños robots magnéticos como estudiante de posgrado en el Laboratorio de Robótica Multiescala de Brad Nelson en ETH Zurich. Cuando llegó al laboratorio de Bhatia como postdoctorado en 2014, Ella comenzó a investigar si este tipo de bot podría ayudar a hacer más eficiente la administración de fármacos de nanopartículas.

En la mayoría de los casos, los investigadores dirigen sus nanopartículas a sitios de enfermedades que están rodeados por vasos sanguíneos "con fugas", como tumores. Esto facilita que las partículas penetren en el tejido, pero el proceso de entrega todavía no es tan eficaz como debería ser.

El equipo del MIT decidió explorar si las fuerzas generadas por los robots magnéticos podrían ofrecer una mejor manera de empujar las partículas fuera del torrente sanguíneo hacia el sitio objetivo.

Los robots que utilizó Schuerle en este estudio tienen 35 centésimas de milímetro de largo, similar en tamaño a una sola celda, y se puede controlar aplicando un campo magnético externo. Este robot bioinspirado, que los investigadores llaman un "flagelo bacteriano artificial, "Consiste en una pequeña hélice que se asemeja a los flagelos que muchas bacterias usan para impulsarse. Estos robots se imprimen en 3-D con una impresora 3-D de alta resolución y luego se recubren con níquel, lo que los hace magnéticos.

Para probar la capacidad de un solo robot para controlar nanopartículas cercanas, los investigadores crearon un sistema de microfluidos que imita los vasos sanguíneos que rodean a los tumores. El canal en su sistema, entre 50 y 200 micrones de ancho, está revestido con un gel que tiene orificios para simular los vasos sanguíneos rotos que se ven cerca de los tumores.

Usando imanes externos, los investigadores aplicaron campos magnéticos al robot, lo que hace que la hélice gire y nade a través del canal. Debido a que el fluido fluye a través del canal en la dirección opuesta, el robot permanece estacionario y crea una corriente de convección, que empuja partículas de poliestireno de 200 nanómetros en el tejido modelo. Estas partículas penetraron dos veces más en el tejido que las nanopartículas administradas sin la ayuda del robot magnético.

Este tipo de sistema podría potencialmente incorporarse a los 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.

Para este estudio, 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. En este caso, 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.