Piccoli robot e veicoli di dimensioni nanometriche che possono navigare attraverso i vasi sanguigni per raggiungere il sito di una malattia potrebbero essere utilizzati per somministrare farmaci a tumori altrimenti difficili da trattare.

Una volta iniettato o ingerito, la maggior parte dei farmaci si basa sul movimento dei fluidi corporei per orientarsi nel corpo. Significa che alcuni tipi di malattie possono essere difficili da trattare efficacemente in questo modo.

Un tipo aggressivo di tumore al cervello noto come glioblastoma, Per esempio, uccide centinaia di migliaia di persone all'anno. Ma poiché produce proiezioni simili a dita nel tessuto cerebrale di un paziente che danneggiano i vasi sanguigni intorno a loro, è difficile per i farmaci raggiungere il sito del tumore.

"Se inietti particelle nel corpo, seguiranno il sangue, " ha detto il professor Daniel Ahmed, che attualmente dirige l'Acoustic Robotics Systems Lab presso l'ETH di Zurigo in Svizzera.

Anziché, gli scienziati si stanno rivolgendo ai nanodispositivi, piccoli robot e veicoli, per fornire farmaci in tutto il corpo in modo controllabile. Ma prima, devono capire come guidarli.

Le nanoparticelle sono "10 volte più piccole dei globuli rossi, e se usi particelle passive, non c'è modo di controllarli, " dice il prof. Ahmed.

Per superare questo, lui ei suoi colleghi del progetto SONOBOTS stanno usando gli ultrasuoni per manipolare nanodispositivi che trasportano farmaci che uccidono il cancro. La tecnologia a ultrasuoni viene generalmente utilizzata dai medici nell'imaging medico a causa del modo in cui le onde sonore ad alta frequenza rimbalzano su diverse parti del corpo, che può essere utilizzato per creare un'immagine.

Il prof. Ahmed e i suoi colleghi scienziati hanno dimostrato, però, che possono guidare una bolla d'aria racchiusa all'interno di un involucro polimerico e una sostanza chimica di imaging, consentendone la vista, utilizzando gli ultrasuoni. Chiamano questi minuscoli veicoli nanonuotatori a causa della loro capacità di muoversi in avanti attraverso un liquido. Le onde sonore spingono i gruppi di questi nanonuotatori verso le pareti del vaso. Questa forza, però, non è abbastanza forte da influenzare il movimento dei globuli rossi nel sangue. Il prof. Ahmed afferma di essere stato ispirato dal modo in cui gli spermatozoi viaggiano:si attaccano alle pareti fisse della vagina e le usano per guidare il loro movimento in avanti. "Ci spostiamo (i nanonuotatori) verso il muro e li manipoliamo, " ha detto. Questo rende più facile guidare i nanonuotatori nella giusta direzione attraverso un vaso sanguigno in quanto possono seguire le pareti.

Nanonuotatori

Questa capacità di controllare finemente i nanonuotatori è necessaria se gli scienziati vogliono portare i loro nanoveicoli che trasportano farmaci ai glioblastomi, che è l'obiettivo finale. I vasi sanguigni che perdono intorno a questi tumori significano che i nanonuotatori dovranno essere attentamente navigati verso le cellule tumorali. Ma una volta lì, i ricercatori possono scuotere acusticamente il nuotatore in modo che rilasci il carico utile del farmaco nel tumore.

Finora, gli scienziati sono riusciti a manipolare e tracciare i loro nanonuotatori negli embrioni di zebrafish, ma il prof. Ahmed ha detto che sono ansiosi di provare la loro tecnologia sui topi. "I pesci zebra hanno un cervello minuscolo, ma la loro barriera ematoencefalica non è matura. Dobbiamo passare ai topi per capire la permeabilità vascolare".

Sebbene esistano numerosi meccanismi di propulsione che potrebbero essere utilizzati per guidare i nanoveicoli che trasportano farmaci, come prodotti chimici, campi magnetici, o luce, l'ecografia è attraente per una serie di motivi, ha detto il prof. Ahmed. Le onde a ultrasuoni possono penetrare in profondità nel corpo, ma hanno dimostrato di essere sicure. Viene abitualmente utilizzato per rilevare i battiti cardiaci fetali nelle donne in gravidanza, Per esempio. La tecnologia è anche relativamente poco costosa e può essere trovata anche nella maggior parte degli ospedali e delle cliniche.

La somministrazione precisa di farmaci in punti specifici del corpo potrebbe aiutare ad affrontare altri comuni, ma malattie mortali.

Professor Salvador Pané e Professor Josep Puigmartí-Luis, ricercatori nel progetto ANGIE, spero che la somministrazione mirata di farmaci consentirà ai medici di trattare un numero maggiore di pazienti con ictus in modo più efficace. Ictus ischemici, che si verificano quando i coaguli di sangue interrompono il flusso di sangue nel cervello, sono una delle principali cause di morte nell'Unione europea, con oltre 1,1 milioni di persone che soffrono di ictus ogni anno.

Ictus

La principale forma di trattamento per i pazienti che arrivano in ospedale dopo un ictus è con farmaci anticoagulanti, ma questi sono dati come un'iniezione e viaggiano intorno al corpo prima di raggiungere il cervello. Questi farmaci hanno anche molti effetti collaterali, che vanno da nausea e bassa pressione sanguigna a sanguinamento nel cervello, e non tutti sono in grado di prenderli.

Se i trattamenti possono essere diretti alla posizione in una vena o in un'arteria in cui si verifica un coagulo, potrebbero essere eliminati in modo molto più efficace.

"Se concentriamo la quantità necessaria al coagulo, ridurremo drasticamente questi effetti collaterali e saremo in grado di trattare più pazienti e ridurre gli effetti collaterali, " ha detto il Prof. Pané, co-direttore del Multi-Scale Robotics Lab dell'ETH di Zurigo e responsabile del suo laboratorio di chimica.

Ad ANGIA, i ricercatori stanno creando minuscoli nanorobot che possono fare proprio questo e somministrare il farmaco direttamente sul coagulo.

A differenza dei nanonuotatori dei SONOBOT, i nanorobot sviluppati sotto ANGIE sono più sofisticati in termini di come possono essere controllati.

"I meccanismi convenzionali per il nuoto non funzionano su scala nanometrica:se provi a gattonare (colpo di nuoto) e implementarlo su scala nanometrica, non funzionerà, " ha detto. Per superare questo problema, il team sta utilizzando campi magnetici per controllare le strutture di dimensioni nanometriche, che contengono particelle o pellicole magnetiche.

Il prof. Pané li ha paragonati a un braccio robotico su una catena di montaggio industriale. Mentre i robot industriali utilizzano un braccio controllato dal computer per spostare una pinza all'estremità, nel caso dei nanorobot ANGIE, il "braccio" è il campo magnetico che muove i nanorobot magnetici. I nanorobot sono realizzati con minuscole strutture composite polimeriche biodegradabili a base di ferro. Alterare la forma e la composizione di queste strutture può cambiare il modo in cui vengono controllate.

Quando il nanorobot raggiunge il suo obiettivo, un coagulo nel cervello nel caso di pazienti colpiti da ictus, interagisce con il coagulo per rilasciare il suo carico utile di farmaco. Preso nella sua interezza, ANGIE può essere considerato un sistema robotico per il livello di controllo consentito dal campo magnetico, secondo i ricercatori.

Robot

"Sono davvero dei robot:sei in grado di controllarli, accelerare, fermare, spostali in tutte e tre le direzioni, " ha detto il prof. Puigmartí-Luis, un chimico presso l'Università di Barcellona in Spagna. In linea di principio, possono rotolare, cavatappi, e ruzzolare.

Pur essendo ancora al suo primo anno, il team di ricerca ANGIE sta attualmente sviluppando il sistema elettromagnetico, che comprende i nanorobot e l'infrastruttura necessaria per controllare questi dispositivi. Per confermare che la loro tecnologia funziona, stamperanno in 3D un sistema vascolare umano basato su dati reali, e mappare il percorso ottimale per i loro nanorobot per raggiungere un coagulo, dice il prof. Puigmartí-Luis.

Ma in caso di successo, utilizzando tali nanorobot per fornire farmaci ai coaguli nei pazienti colpiti da ictus, Per esempio, potrebbe essere realizzato con le apparecchiature esistenti in molti dei principali ospedali. "I campi magnetici sono già utilizzati negli ospedali per la risonanza magnetica, " ha aggiunto il prof. Pané.

Sebbene il loro obiettivo attuale sia quello di trovare coaguli che causano ictus, la tecnologia potrebbe essere applicata a molte altre malattie, dice il prof. Pané. Ma devono dimostrare che la loro tecnologia funziona prima di poterla provare nelle persone.

I nanodispositivi offrono un modo promettente per indirizzare il trattamento delle malattie, e qualcosa che il prof. Ahmed di SONOBOTS pensa sarà una realtà in un futuro non troppo lontano.

"Inizialmente, quando abbiamo parlato con i medici delle idee, pensavano che fosse troppo fantascienza, "ma man mano che i dati dello studio crescono, stanno arrivando, Egli ha detto.