Videnskab
 science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

Små robotter drevet af magnetiske felter kan hjælpe nanopartikler til at nå deres mål

Vision om forbedret transport af nanomedicin ind i tumorvæv. Kredit:Sonia Monti

MIT-ingeniører har designet bittesmå robotter, der kan hjælpe nanopartikler, der leverer lægemidler, med at skubbe deres vej ud af blodbanen og ind i en tumor eller et andet sygdomssted. Ligesom håndværk i "Fantastic Voyage" - en science fiction -film fra 1960'erne, hvor et ubådsbesætning krymper i størrelse og vandrer rundt i et legeme for at reparere beskadigede celler - svømmer robotterne gennem blodbanen, skabe en strøm, der trækker nanopartikler sammen med dem.

De magnetiske mikrorobotter, inspireret af bakteriel fremdrift, kunne hjælpe med at overvinde en af ​​de største forhindringer for at levere lægemidler med nanopartikler:at få partiklerne til at forlade blodkarrene og samle sig på det rigtige sted.

"Når du putter nanomaterialer i blodbanen og retter dem mod sygt væv, den største barriere for, at den slags nyttelast kommer ind i vævet, er slimhinden i blodkarret, " siger Sangeeta Bhatia, John og Dorothy Wilson professor i sundhedsvidenskab og teknologi og elektroteknik og datalogi, medlem af MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research og dets Institut for Medicinsk Teknik og Videnskab, og den seniorforfatter af undersøgelsen.

"Vores idé var at se, om du kan bruge magnetisme til at skabe væskekræfter, der skubber nanopartikler ind i vævet, " tilføjer Simone Schuerle, en tidligere MIT postdoc og hovedforfatter af papiret, som vises i 26. april-udgaven af Videnskabens fremskridt .

I samme undersøgelse, forskerne viste også, at de kunne opnå en lignende effekt ved at bruge sværme af levende bakterier, der er naturligt magnetiske. Hver af disse tilgange kunne være egnet til forskellige typer af medicinafgivelse, siger forskerne.

Magnetisk kontrollerede syntetiske og levende mikropropeller oprører nanopartikler for forbedret medicintransport. Kredit:Schuerle et al., Sci. Adv. 2019;5:eaav4803

Små robotter

Schuerle, som nu er adjunkt ved Swiss Swiss Institute of Technology (ETH Zürich), begyndte først at arbejde på små magnetiske robotter som kandidatstuderende i Brad Nelsons Multiscale Robotics Lab på ETH Zürich. Da hun kom til Bhatias laboratorium som postdoc i 2014, hun begyndte at undersøge, om denne slags bot kunne hjælpe med at gøre nanopartikel-medikamentlevering mere effektiv.

I de fleste tilfælde, forskere målretter deres nanopartikler mod sygdomssteder, der er omgivet af "utætte" blodkar, såsom tumorer. Dette gør det lettere for partiklerne at komme ind i vævet, men leveringsprocessen er stadig ikke så effektiv, som den skal være.

MIT-holdet besluttede at undersøge, om de kræfter, der genereres af magnetiske robotter, kunne tilbyde en bedre måde at skubbe partiklerne ud af blodbanen og ind i målstedet.

Robotterne, som Schuerle brugte i denne undersøgelse, er 35 hundrededele af en millimeter lange, svarer i størrelse til en enkelt celle, og kan styres ved at påføre et eksternt magnetfelt. Denne bioinspirerede robot, som forskerne kalder en "kunstig bakteriel flagelum, " består af en lille helix, der ligner flagellerne, som mange bakterier bruger til at drive sig frem. Disse robotter er 3-D-printet med en højopløsnings 3-D-printer og derefter belagt med nikkel, hvilket gør dem magnetiske.

For at teste en enkelt robots evne til at kontrollere nærliggende nanopartikler, forskerne skabte et mikrofluidisk system, der efterligner de blodkar, der omgiver tumorer. Kanalen i deres system, mellem 50 og 200 mikron bred, er foret med en gel, der har huller til at simulere de knækkede blodkar, der ses nær tumorer.

Påvisning af syntetisk mirpropeller i tumorvæv via multi-foton-billeddannelse og sekundære harmoincs-signaler. Kredit:Jeffrey Wyckoff

Ved hjælp af eksterne magneter, forskerne anvendte magnetiske felter på robotten, hvilket får helixen til at rotere og svømme gennem kanalen. Fordi væske strømmer gennem kanalen i den modsatte retning, the robot remains stationary and creates a convection current, which pushes 200-nanometer polystyrene particles into the model tissue. These particles penetrated twice as far into the tissue as nanoparticles delivered without the aid of the magnetic robot.

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, siger Bhatia.

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.

Til denne undersøgelse, 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. I dette tilfælde, 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, siger Bhatia. She now plans to collaborate with Schuerle to further develop both of these magnetic approaches for testing in animal models.


Varme artikler