Panoramica concettuale delle microeliche a controllo magnetico per il trasporto NP potenziato dalla convezione. (A) Schema concettuale raffigurante un singolo microrobot, il flagello batterico artificiale (ABF), migliorare il trasporto di massa di nanoparticelle (NP) all'interfaccia vaso-tessuto (a sinistra), e sciami di batteri magnetotattici (MTB) che generano flusso convettivo per migliorare il trasporto di massa (a destra). ECM, matrice extracellulare. (B) Schema della piattaforma magnetofluidica per studi di trasporto di massa NP mediante convezione indotta magneticamente. Il chip microfluidico è posto tra la lente dell'obiettivo di un microscopio ottico invertito e gli elettromagneti (a sinistra). Uno schema mostra il chip, costituito da un canale superiore riempito con NP (rosso) e un canale d'acqua inferiore (blu) che delimitano entrambi una matrice di collagene (grigio) lungo perni trapezoidali restrittivi realizzati in PDMS. Le NP possono diffondersi passivamente nella matrice di collagene lungo il loro gradiente di concentrazione verso il canale dell'acqua. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aav4803
Le nanoparticelle (NP) sono una piattaforma promettente per la somministrazione di farmaci per il trattamento di una varietà di malattie tra cui il cancro, malattie cardiovascolari e infiammazioni. Tuttavia, l'efficienza del trasferimento di NP al tessuto malato di interesse è limitata a causa di un assortimento di barriere fisiologiche. Un ostacolo significativo è il trasporto di NP per raggiungere con precisione il tessuto bersaglio di interesse. In un recente studio, S. Schuerle e un team di ricercatori interdisciplinari presso i dipartimenti di Medicina Traslazionale, Biofisica, Ingegneria Robotica, Nanomedicina ed Elettronica, in Svizzera, il Regno Unito e gli Stati Uniti hanno sviluppato due distinte microeliche basate su microrobot per affrontare la sfida.
Hanno usato campi magnetici rotanti (RMF) per alimentare i dispositivi e creare una convezione di fluido locale per superare il trasporto limitato dalla diffusione delle nanoparticelle. Durante il primo approccio sperimentale, hanno utilizzato un singolo microrobot magnetico sintetico come flagello batterico artificiale (ABF) e quindi hanno utilizzato sciami di batteri magnetotattici (MTB) presenti in natura per creare un "ferrofluido vivente" sfruttando la ferroidrodinamica. Utilizzando entrambi gli approcci, gli scienziati hanno potenziato il trasporto di NP in un modello microfluidico di stravaso di sangue (movimento di un farmaco dai vasi sanguigni al tessuto esterno) e penetrazione tissutale in microcanali circondati da una matrice di collagene per creare un'interfaccia biomimetica tessuto-vaso nel laboratorio. I risultati dello studio sono ora pubblicati in Progressi scientifici .
Le nanoparticelle (NP) sono sempre più popolari nella nanomedicina a causa del potenziale della ricerca biomedica come vettori nella somministrazione di farmaci che superano i limiti della medicina convenzionale. Mentre le NP sono progettate per alterare la farmacocinetica e la biodistribuzione dei farmaci esistenti, sono ostacolati da barriere fisiologiche, che impediscono l'accumulo di successo nei siti di malattia, limitando i loro effetti terapeutici in vivo. Durante la terapia del cancro, ad esempio, i portatori di farmaci incontrano vasi anomali che circondano l'architettura del tumore per un rilascio inefficace del farmaco per via endovenosa.
Poiché la somministrazione di NP nei tessuti è fortemente influenzata dalle loro proprietà fisico-chimiche, gli scienziati hanno riprogettato le forme e le dimensioni delle NP per ottimizzare la loro cinetica di trasporto attraverso le pareti dei vasi per raggiungere i tessuti. I ricercatori avevano precedentemente proposto approcci multistadio per la somministrazione ottimizzata dei farmaci, o riducendo le nanoparticelle nel tempo, o frammentandoli per disperdersi e raggiungere un sito di interesse solo dopo aver incontrato in vivo indizi microambientali di malattia.
Il flagello batterico artificiale (ABF) in un dispositivo a flusso di un fluido simile a un microrecipiente. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aav4803
In genere, Il trasporto NP è influenzato dalla carica superficiale, idrofobicità e biochimica di superficie; proprietà che possono essere attivamente ottimizzate nel lavoro di ricerca per un traffico in vivo più efficace. Gli scienziati hanno utilizzato fonti di energia esterne come forze magnetiche e acustiche per creare microbot controllati in modalità wireless e trasferire le terapie al tessuto malato per un migliore trasporto diffusivo. Però, questi metodi si basavano ancora sul trasporto diffusivo dopo aver rilasciato il carico a bordo, mentre resta la necessità di strategie di trasporto più distinte in un luogo definito.
Nel presente lavoro, Schuerle et al. hanno dettagliato due strategie distinte per generare un flusso convettivo localizzato in modalità wireless per prevenire l'invasività delle nanoparticelle impiantate. Ispirato al campo dei microrobot (microbot), gli scienziati hanno usato (1) un singolo, sintetico, microrobot ispirato ai batteri, o (2) grandi sciami di batteri viventi per guidare il trasporto NP localizzato. Le microeliche artificiali e naturali hanno assistito il processo promuovendo la convezione guidata magneticamente in una posizione definita in una configurazione magnetofluidica con potenziale per applicazioni terapeutiche.
Il microbot sintetico ha imitato la propulsione batterica utilizzando un flagello batterico artificiale (ABF), mentre i densi sciami di batteri magnetotattici (MTB) imbrigliati da Schuerle et al. si sono verificati naturalmente come procarioti gram-negativi ( Magnetospirillum magneticum ) con proprietà magnetiche. Gli scienziati si aspettano che i risultati superino le barriere di trasporto esistenti per una migliore penetrazione dei tessuti NP tramite il controllo wireless e una convezione locale spaziotemporalmente precisa in futuro.
ABF perturba localmente il flusso del fluido. (A) Schema di un canale microfluidico largo 200 μm con ABF sospeso (lungo 36 μm, 10 μm di diametro) posizionato al centro del canale (x, si, z) =(0, 0, 0). Il canale superiore contiene acqua, mentre il canale inferiore contiene NP fluorescenti a 200 nm. (B) Istantanea di ABF in un canale largo 200 μm che perturba i percorsi tracciati delle NP fluorescenti da 200 nm che indicano il flusso del fluido. Barra della scala (in alto), 10 micron. Una simulazione numerica del flusso di due fluidi con un ABF all'interfaccia, con colore che indica la distribuzione della concentrazione (rosso, 1 mol/m3; blu, 0 mol/m3) di specie molecolari (in basso). (C) Profilo di velocità nelle posizioni a monte ea valle dell'ABF. Per il controllo, a x =+3 mm, è stato simulato un profilo laminare non perturbato con velocità di picco di 50 μm/s. Sia a x =+50 μm (a monte) che x =-50 μm (a valle), è previsto un aumento delle velocità di picco, con il picco spostato più vicino alla parete del canale per il caso a monte. (D) Risultati della simulazione per la componente di velocità y uy (ortogonale e fuori dal canale) nelle stesse posizioni di (C). Nelle vicinanze dell'ABF, è prevista una spinta ortogonale alla direzione del flusso verso la parete del canale. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aav4803
Schuerle et al. progettato l'ABF magnetico utilizzando litografia tridimensionale (3-D) e deposizione di metalli, come precedentemente riportato. I microrobot bioispirati hanno imitato i flagelli rotanti per un'efficiente locomozione basata sulla propulsione su microscala, dove dominano le forze di resistenza viscosa. Hanno controllato il movimento dell'ABF con campi magnetici uniformi in rotazione 3D utilizzando una configurazione di controllo magnetico wireless contenente elettromagneti disposti attorno a un singolo emisfero.
Quindi hanno montato la configurazione su un microscopio invertito per tracciare i movimenti dei microrobot controllati. I campi magnetici rotanti (RMF) hanno permesso la propulsione in avanti e il flusso convettivo nel fluido circostante e quando gli scienziati hanno immerso l'ABF in una sospensione di NP fluorescenti, hanno osservato un flusso controllato per il trasporto di massa delle NP.
Nell'esperimento, hanno costruito lo strato inferiore del canale microfluidico per contenere le NP da 200 nm simili alle dimensioni utilizzate nelle applicazioni cliniche, mentre sullo strato fluido superiore hanno mantenuto una sospensione di mezzo acquoso puro. Gli scienziati hanno posizionato l'ABF al centro della configurazione per sostenere la sua posizione contro il flusso controllando il flusso del fluido nella configurazione. Questa disposizione dell'ABF in un canale microfluidico ha interrotto il flusso laminare per produrre convezione, che trasportava le NP dallo strato fluido in basso a quello superiore, per raggiungere la parete del canale, cioè., la località di interesse.
Pompaggio ferroidrodinamico con sciami controllati di MTB. (A) Micrografia elettronica a trasmissione del ceppo magnetico M. AMB-1. Barra della scala, 0,5 micron. I magnetosomi sono chiaramente visibili, qui formato in due stringhe distinte di cristalli di ossido di ferro. (B) Controllo di AMB-1 sotto campi magnetici statici (in alto) e campi magnetici che ruotano nel piano a 1 Hz. Barra della scala (in basso), 5 micron. (C) Immagini postelaborate di tracciati, co-sospeso, non magnetico, NP fluorescenti utilizzate per osservare campi di flusso generati da uno sciame di MTB esposto a un campo magnetico di 12 mT rotante a 10 Hz nel piano y-z. Le tracce in verde corrispondono a traiettorie percorse su 12 fotogrammi (~1 s). Le posizioni sono calcolate utilizzando un filtro passa-banda con diametro di 25 pixel, seguito dal rilevamento del picco (in alto). Il movimento batterico può essere guidato cambiando la direzione del vettore del campo magnetico rotante, perché la MTB trasla all'interno del piano di rotazione (in basso). Per un vettore RMF attorno all'asse x, i batteri ruotano lungo y, generando un flusso che trasporta NP lungo y. (D) La velocità di traslazione viene tracciata rispetto alla frequenza di rotazione applicata a due diverse intensità del campo magnetico. La velocità di traslazione aumenta inizialmente con la frequenza, ma a frequenze sufficientemente alte, diminuisce perché la coppia di trascinamento fluidico vince la coppia magnetica per impedire loro di stare al passo con la rotazione del campo. La massima frequenza sincronizzata, corrispondente anche alla massima velocità di traslazione, è indicata come frequenza di uscita ωmax. Quando l'intensità del campo magnetico aumenta, la frequenza di uscita aumenta, come osservato. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aav4803
Gli scienziati hanno anche sviluppato un modello di flusso di fluido singolo in un microcanale per formare un microrecipiente bioispirato con scale biomimetiche e portate del fluido. Il modello conteneva collagene concentrato al centro che imitava la matrice extracellulare nativa. Utilizzando il dispositivo, Schuerle et al. ha quantificato l'intensità della fluorescenza nella matrice biomimetica per verificare se l'ABF controllato magneticamente potesse migliorare il trasporto di massa di NP marcate con fluorescenza nella matrice che imita il tessuto. I risultati hanno indicato che gli ABF erano limitati come microelica convettiva in navi più piccole, ma questo può essere modificato ridimensionando la struttura ABF per adattarla alle dimensioni del canale in futuro.
Successivamente gli scienziati hanno considerato gli effetti di un intero sciame di eliche di microrobot più piccole. Per questo, Schuerle et al. selezionato il ceppo MTB wild type AMB-1 ( Magnetospirillum magneticum ) per formare magnetosomi. I microrganismi hanno prodotto naturalmente catene di particelle di ossido di ferro nei doppi strati lipidici della membrana plasmatica per il movimento manipolato utilizzando campi magnetici esterni. Mentre i ricercatori avevano utilizzato le MTB in studi precedenti come potenziali veicoli di somministrazione di farmaci con campi magnetici esterni, Schuerle et al. utilizzati campi magnetici rotazionali (RMF) nel presente lavoro. Gli RMF hanno forzato il movimento di uno sciame MTB per guidare il loro movimento tramite una coppia magnetica.
Controllo di MTB con etichetta fluorescente verde in un dispositivo microfluidico, quando RMF è acceso/spento. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aav4803
Gli scienziati hanno ridotto la distanza media tra i batteri utilizzando un'alta concentrazione di MTB per spingere in avanti le cellule vicine in sciami 3-D dominati da forze idrodinamiche. Non hanno osservato clustering o aggregazione dei magnetosomi MTB quando esposti a RMF poiché i magnetosomi erano intrinsecamente schermati dalle membrane cellulari batteriche per un flusso di fluido controllato. Schuerle et al. ripetuto gli esperimenti per la biomimetica utilizzando un dispositivo microfluidico contenente collagene per dimostrare che gli sciami di MTB potrebbero penetrare il collagene, quando sono state utilizzate concentrazioni sufficientemente elevate di MTB.
In questo modo, utilizzando due strategie sperimentali Schuerle et al. migliorato il trasporto di massa di NP, tramite flusso convettivo generato da microeliche controllate magneticamente. Gli esperimenti di microrobotica hanno mostrato che l'ABF imitava un flagello batterico per favorire l'accumulo e la penetrazione di NP in una matrice densa di collagene, quando agito dagli RMF. Schuerle et al. proporre di includere tali ABF stazionari negli stent per innescare il rilascio di farmaci e migliorare la penetrazione in un sito di interesse per contrastare l'infiammazione su richiesta.
Con la seconda strategia, si sono concentrati sulla generazione della stessa tecnica ma con ceppi batterici magnetotattici (MTB). Sulla base del presente lavoro e delle proprietà di homing tumorali esistenti degli MTB, gli scienziati prevedono sciami controllati magneticamente di MTB 3-D per trasportare NP nello spazio fluido interstiziale dei microambienti tumorali. Gli scienziati ottimizzeranno la densità dei batteri per una dose compatibile in vivo e il lavoro aprirà la strada a ulteriori studi su micro e nanomateriali per il trasporto di NP potenziato magneticamente nella nanomedicina clinica.
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