Gli ingegneri del MIT hanno progettato minuscoli robot che possono aiutare le nanoparticelle per la somministrazione di farmaci a uscire dal flusso sanguigno e in un tumore o in un altro sito di malattia. Come le imbarcazioni in "Fantastic Voyage"—un film di fantascienza degli anni '60 in cui un equipaggio di sottomarini si riduce di dimensioni e vaga per un corpo per riparare le cellule danneggiate—i robot nuotano attraverso il flusso sanguigno, creando una corrente che trascina con sé le nanoparticelle.

I microrobot magnetici, ispirato dalla propulsione batterica, potrebbe aiutare a superare uno dei maggiori ostacoli alla somministrazione di farmaci con nanoparticelle:far uscire le particelle dai vasi sanguigni e accumularsi nel posto giusto.

"Quando si immettono nanomateriali nel flusso sanguigno e li si indirizza verso i tessuti malati, la più grande barriera a quel tipo di carico utile che entra nel tessuto è il rivestimento del vaso sanguigno, "dice Sangeeta Bhatia, il professore John e Dorothy Wilson di scienze e tecnologia della salute e ingegneria elettrica e informatica, un membro del Koch Institute for Integrative Cancer Research del MIT e del suo Institute for Medical Engineering and Science, e l'autore senior dello studio.

"La nostra idea era di vedere se è possibile utilizzare il magnetismo per creare forze fluide che spingono le nanoparticelle nel tessuto, " aggiunge Simone Schuerle, un ex postdoc del MIT e autore principale del documento, che appare nel numero del 26 aprile di Progressi scientifici .

Nello stesso studio, i ricercatori hanno anche dimostrato di poter ottenere un effetto simile utilizzando sciami di batteri viventi che sono naturalmente magnetici. Ciascuno di questi approcci potrebbe essere adatto a diversi tipi di somministrazione di farmaci, dicono i ricercatori.

Piccoli robot

Schuerle, che ora è professore assistente presso il Politecnico federale di Zurigo (ETH Zurigo), ha iniziato a lavorare su minuscoli robot magnetici come studente laureato nel Multiscale Robotics Lab di Brad Nelson all'ETH di Zurigo. Quando è arrivata al laboratorio di Bhatia come postdoc nel 2014, ha iniziato a indagare se questo tipo di bot potesse aiutare a rendere più efficiente la somministrazione di farmaci con nanoparticelle.

Nella maggior parte dei casi, i ricercatori indirizzano le loro nanoparticelle a siti di malattie che sono circondati da vasi sanguigni "che perdono", come i tumori. Questo rende più facile per le particelle entrare nel tessuto, ma il processo di consegna non è ancora efficace come dovrebbe essere.

Il team del MIT ha deciso di esplorare se le forze generate dai robot magnetici potrebbero offrire un modo migliore per spingere le particelle fuori dal flusso sanguigno e nel sito bersaglio.

I robot che Schuerle ha utilizzato in questo studio sono lunghi 35 centesimi di millimetro, di dimensioni simili a una singola cella, e può essere controllato applicando un campo magnetico esterno. Questo robot bioispirato, che i ricercatori chiamano "flagello batterico artificiale, " consiste in una minuscola elica che ricorda i flagelli che molti batteri usano per spingersi. Questi robot sono stampati in 3D con una stampante 3D ad alta risoluzione e poi rivestiti di nichel, che li rende magnetici.

Per testare la capacità di un singolo robot di controllare le nanoparticelle vicine, i ricercatori hanno creato un sistema microfluidico che imita i vasi sanguigni che circondano i tumori. Il canale nel loro sistema, tra 50 e 200 micron di larghezza, è rivestito con un gel che ha fori per simulare i vasi sanguigni rotti visti vicino ai tumori.

Utilizzando magneti esterni, i ricercatori hanno applicato campi magnetici al robot, che fa ruotare l'elica e nuotare attraverso il canale. Poiché il fluido scorre attraverso il canale nella direzione opposta, il robot rimane fermo e crea una corrente di convezione, che spinge particelle di polistirene da 200 nanometri nel tessuto modello. Queste particelle sono penetrate due volte nel tessuto rispetto alle nanoparticelle fornite senza l'ausilio del robot magnetico.

This type of system could potentially be incorporated into 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.

Per questo studio, 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. In questo 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.