Исследователи из Калифорнийского технологического института создали роботов-пузырей, работающих на ферментах, которые самостоятельно направляются к опухолям и высвобождают лекарства по требованию.
Микророботы давно обещают точную доставку лекарств в человеческий организм, но их практическая реализация по-прежнему остается сложной задачей.
Многие конструкции сложны, дороги в производстве или трудно контролируемы после попадания в живые ткани.
Новый микроробот, разработанный исследователями из Калифорнийского технологического института и Университета Южной Калифорнии, призван решить эти проблемы, упростив конструкцию до ее мельчайших деталей: пузыря.
Исследовательская группа создала роботов на основе микропузырьков, работающих на ферментах, которые могут перемещаться к опухолям, доставлять противораковые препараты и высвобождать их по требованию с помощью ультразвука.
Этот подход упрощает как структуру микророботов, так и способ их изготовления, сохраняя при этом высокую точность нацеливания и терапевтическую эффективность.
В отличие от более ранних микророботов, которые создавались с помощью 3D-печати, гидрогелевых оболочек и изготовления в чистых помещениях, новые роботы полностью построены из микропузырьков с белковыми оболочками.
Эти пузырьки уже широко используются в медицинской визуализации и, как известно, обладают биосовместимостью. Используя ультразвуковое воздействие, команда может быстро и недорого производить тысячи идентичных микропузырьков.
«Мы подумали: а что если мы еще больше упростим задачу и просто сделаем сам пузырь роботом?» — сказал Вэй Гао, профессор медицинской инженерии в Калифорнийском технологическом институте.
«Мы легко можем создавать пузыри и уже знаем, что они очень биосовместимы. А если вы захотите их лопнуть, вы сможете сделать это немедленно».
После формирования белковые оболочки предоставляют простой способ добавить им функциональность.
Исследователи химически модифицировали аминогруппы на поверхности микророботов, чтобы прикрепить к ним ферменты, лекарства и наночастицы, создав таким образом микророботов, способных двигаться, воспринимать окружающую среду и доставлять терапевтические препараты.
Превращение мыльных пузырей в роботов
Движение пузырьков обеспечивается уреазой — ферментом, прикрепленным к поверхности пузырька. Уреаза реагирует с мочевиной, продуктом жизнедеятельности, естественным образом присутствующим в организме, образуя аммиак и углекислый газ.
Из-за неравномерного распределения фермента химические побочные продукты накапливаются в большей степени на одной стороне пузырька, создавая тягу, которая продвигает робота вперед.
Команда создала две версии микророботов. Одна из них включает магнитные наночастицы, позволяющие исследователям направлять пузырьки к цели с помощью внешних магнитов, отслеживая их положение с помощью ультразвуковой визуализации.
Вторая версия полностью автономна. Добавив еще один фермент, каталазу, роботы реагируют на перекись водорода, которая содержится в более высоких концентрациях в опухолях и воспаленных тканях. Это позволяет пузырькам перемещаться к опухолям без визуализации или внешнего управления.
«В этом случае не требуется никаких методов визуализации; не требуется никакого внешнего управления. Робот достаточно умён, чтобы обнаружить опухоль», — сказал Гао.
«Автономное движение робота-пузырька в сочетании с его способностью определять градиент перекиси водорода приводит к такому нацеливанию, которое мы называем хемотаксическим нацеливанием на опухоль».
Взрыв для высвобождения наркотиков
Как только роботизированные пузырьки достигают опухоли, с помощью сфокусированного ультразвука их лопают. Это внезапное схлопывание высвобождает лекарственный препарат и механически усиливает его проникновение в опухоль, превосходя по эффективности более ранние конструкции с замедленным высвобождением.
В экспериментах на мышах с раком мочевого пузыря этот подход привел к снижению массы опухоли примерно на 60 процентов за 21 день по сравнению с животными, получавшими только препарат.
«Эта роботизированная платформа для введения препаратов в виде пузырьков проста, но в ней объединены все необходимые для терапии компоненты: биосовместимость, управляемое движение, визуальное наведение и триггер, срабатывающий по требованию, который помогает препарату проникать глубже в опухоль», — сказал ведущий автор исследования Сонгсонг Тан.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.
Sourse: interestingengineering.com
