I ricercatori dell'Università di Toronto Engineering hanno costruito una serie di "pinzette" magnetiche in grado di posizionare una perlina su nanoscala all'interno di una cellula umana in tre dimensioni con una precisione senza precedenti. Il nano-bot è già stato utilizzato per studiare le proprietà delle cellule cancerose, e potrebbe indicare la strada verso una diagnosi e un trattamento migliori.

Il professor Yu Sun e il suo team hanno costruito robot in grado di manipolare singole cellule per due decenni. Le loro creazioni hanno la capacità di manipolare e misurare singole cellule, utili in procedure come la fecondazione in vitro e la medicina personalizzata. Il loro ultimo studio, pubblicato oggi in Robotica scientifica , porta la tecnologia un passo avanti.

"Finora, il nostro robot ha esplorato fuori da un edificio, toccando il muro di mattoni, e cercando di capire cosa sta succedendo dentro, " dice Sun. "Volevamo installare un robot nell'edificio e sondare tutte le stanze e le strutture".

Il team ha creato sistemi robotici in grado di manipolare strutture subcellulari all'interno di microscopi elettronici, ma ciò richiede la liofilizzazione delle cellule e il loro taglio in fettine minuscole. Per sondare le cellule vive, altre squadre hanno utilizzato tecniche come i laser o l'acustica.

"Le pinzette ottiche, che utilizzano i laser per sondare le cellule, sono un approccio popolare, "dice Xian Wang, il dottorato candidato che ha condotto la ricerca. La tecnologia è stata insignita del Premio Nobel per la Fisica 2018, ma Wang dice che la forza che può generare non è abbastanza grande per la manipolazione meccanica e la misurazione che voleva fare.

"Puoi provare ad aumentare la potenza per generare una forza maggiore, ma corri il rischio di danneggiare i componenti subcellulari che stai cercando di misurare, "dice Wang.

Il sistema progettato da Wang utilizza sei bobine magnetiche posizionate su piani diversi attorno a un vetrino coprioggetto per microscopio seminato con cellule cancerose vive. Una perlina magnetica di ferro di circa 700 nanometri di diametro, circa 100 volte più piccola dello spessore di un capello umano, viene posizionata sul coprioggetto, dove le cellule cancerose lo assorbono facilmente all'interno delle loro membrane.

Una volta che il tallone è dentro, Wang controlla la sua posizione utilizzando il feedback in tempo reale dall'imaging al microscopio confocale. Usa un algoritmo controllato dal computer per variare la corrente elettrica attraverso ciascuna delle bobine, modellare il campo magnetico in tre dimensioni e convincere il tallone in qualsiasi posizione desiderata all'interno della cella.

"Possiamo controllare la posizione entro un paio di centinaia di nanometri dal limite di movimento browniano, " dice Wang. "Possiamo esercitare forze un ordine di grandezza superiore a quello che sarebbe possibile con i laser".

In collaborazione con la dott.ssa Helen McNeil e Yonit Tsatskis presso il Mount Sinai Hospital e il dott. Sevan Hopyan presso l'Hospital for Sick Children (SickKids), il team ha utilizzato il proprio sistema robotico per studiare le cellule del cancro della vescica in fase iniziale e successiva.

Precedenti studi sui nuclei cellulari hanno richiesto la loro estrazione dalle cellule. Wang e Sun hanno misurato i nuclei cellulari in cellule intatte senza la necessità di rompere la membrana cellulare o il citoscheletro. Sono stati in grado di dimostrare che il nucleo non è ugualmente rigido in tutte le direzioni.

"È un po' come un pallone da calcio in forma, meccanicamente, è più rigido lungo un asse rispetto all'altro, " dice Sun. "Non lo avremmo saputo senza questa nuova tecnica."

Sono stati anche in grado di misurare esattamente quanto diventasse più rigido il nucleo quando veniva pungolato ripetutamente, e determinare quale proteina o proteine ​​cellulari possono svolgere un ruolo nel controllo di questa risposta. Questa conoscenza potrebbe indicare la strada verso nuovi metodi di diagnosi del cancro.

"Sappiamo che nelle cellule dello stadio avanzato, la risposta di irrigidimento non è così forte, " dice Wang. "In situazioni in cui le cellule tumorali in fase iniziale e le cellule in fase successiva non sembrano molto diverse morfologicamente, questo fornisce un altro modo per distinguerli."

Secondo Sole, la ricerca potrebbe andare anche oltre.

"Potresti immaginare di portare interi sciami di questi nano-robot, e usarli per far morire di fame un tumore bloccando i vasi sanguigni nel tumore, o distruggerlo direttamente tramite ablazione meccanica, " dice Sun. "Questo offrirebbe un modo per curare i tumori resistenti alla chemioterapia, radioterapia e immunoterapia”.

Queste applicazioni sono ancora molto lontane dalla distribuzione clinica, ma Sun e il suo team sono entusiasti di questa direzione di ricerca. Sono già in corso i primi esperimenti sugli animali con il dottor Xi Huang in SickKids.

"Non è ancora del tutto Fantastic Voyage, " lui dice, riferendosi al film di fantascienza del 1966. "Ma abbiamo raggiunto una precisione senza precedenti nella posizione e nel controllo della forza. Questa è una parte importante di ciò di cui abbiamo bisogno per arrivarci, quindi restate sintonizzati!"