Den kollektive bevægelse af nanorobotter observeret in vivo

Nanobots er maskiner, hvis komponenter er på nanoskala (en milliontedel af en millimeter), og kan designes på en sådan måde, at de har evnen til at bevæge sig autonomt i væsker. Selvom de stadig er i forsknings- og udviklingsfasen, der gøres betydelige fremskridt hen imod brugen af ​​nanorobotter i biomedicin. Deres applikationer er varierede, fra identifikation af tumorceller til frigivelse af lægemidler på bestemte steder i kroppen. Nanorobotter drevet af katalytiske enzymer er blandt de mest lovende systemer, fordi de er fuldt biokompatible og kan gøre brug af "brændstoffer", der allerede er tilgængelige i kroppen til deres fremdrift. Imidlertid, at forstå den kollektive adfærd af disse nanorobotter er afgørende for at komme videre mod deres brug i klinisk praksis.

Nu, i en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Videnskab robotik , forskere ledet af ICREA forskningsprofessor Samuel Sánchez og hans team "Smart Nano-Bio-Devices" ved Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC), sammen med gruppen Radiochemistry &Nuclear Imaging Lab fra CIC biomaGUNE ledet af Jordi Llop og Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), har formået at observere in vivo den kollektive adfærd af et stort antal autonome nanorobotter inde i blæren på levende mus ved hjælp af radioaktiv isotopmærkning.

"Det faktum at have været i stand til at se, hvordan nanorobotter bevæger sig sammen, som en sværm, og at følge dem i en levende organisme, er vigtigt, da millioner af dem er nødvendige for at behandle specifikke patologier som f. for eksempel, kræftsvulster, " siger Samuel Sánchez, hovedefterforsker hos IBEC.

"Vi har for første gang demonstreret, at nanorobotter kan overvåges in vivo gennem Positron Emission Tomography (PET), en meget følsom, ikke-invasiv teknik, der anvendes i det biomedicinske miljø, " siger Jordi Llop, hovedforsker ved Radiochemistry &Nuclear Imaging Lab fra CIC biomaGUNE.

At gøre dette, forskerne udførte først in vitro eksperimenter, overvågning af nanorobotterne gennem optisk mikroskopi og positronemissionstomografi (PET). Begge teknikker gjorde det muligt for dem at observere, hvordan nanopartiklerne blandede sig med væskerne og var i stand til at migrere, samlet, følge komplekse veje. Nanorobotterne blev derefter administreret intravenøst ​​til mus og, endelig, indført i disse dyrs blærer. Da nanorobotter er belagt med et enzym kaldet urease, som bruger urinstof fra urin som brændstof, de svømmer kollektivt og fremkalder væskestrømme inde i blæren.

Kollektive bevægelser svarende til flokke af fugle eller fiskestimer

Holdet af videnskabsmænd fandt ud af, at fordelingen af ​​nanoenheder i musenes blære var homogen, hvilket indikerer, at den kollektive bevægelse var koordineret og effektiv. "Nanorobotter viser kollektive bevægelser, der ligner dem, der findes i naturen, såsom fugle, der flyver i flokke, eller de ordnede mønstre, som fiskestimer følger, " forklarer Samuel Sánchez, ICREA forskningsprofessor ved IBEC. "Vi har set, at nanorobotter, der har urease på overfladen, bevæger sig meget hurtigere end dem, der ikke har. derfor, et bevis på konceptet for den oprindelige teori om, at nanorobotter bedre vil være i stand til at nå en tumor og trænge ind i den, " siger Jordi Llop, hovedefterforsker ved CIC biomaGUNE.

Denne undersøgelse viser den høje effektivitet af millioner af nanoskopiske enheder til at bevæge sig på en koordineret måde i både in vitro og in vivo miljøer, et faktum, der udgør et fundamentalt fremskridt i nanorobotternes kapløb om at blive nøglespillere inden for meget præcise terapier og behandlinger. Fremtidige anvendelser inden for medicin af disse enheder i nanoskala er lovende. Det er også blevet påvist "at bevægelsen af ​​disse enheder kan overvåges ved hjælp af billedbehandlingsteknikker, der kan anvendes til in vivo-miljøet, med andre ord, de kan anvendes i forsøgsdyr og giver mulighed for overførsel til mennesker, " siger Cristina Simó, en af ​​de første forfattere til undersøgelsen og en forsker i CIC biomaGUNE-gruppen.

"Det er første gang, vi er i stand til direkte at visualisere den aktive diffusion af biokompatible nanorobotter i biologiske væsker in vivo. Muligheden for at overvåge deres aktivitet i kroppen og det faktum, at de udviser en mere homogen fordeling, kan revolutionere den måde, vi forstår nanopartikel-baserede lægemiddellevering og diagnostiske tilgange, " siger Tania Patiño, medkorresponderende forfatter til papiret.

Nanobot-sværme kan være særligt nyttige i tyktflydende medier, hvor lægemiddeldiffusion ofte er begrænset af dårlig vaskularisering, såsom i mave-tarmkanalen, øjet, eller leddene. "Faktisk, da forskellige enzymer kan inkorporeres i de små motorer, nanorobotter kunne skræddersyes efter delen i organismen, tilpasse enheden til det tilgængelige brændstof i det miljø, hvor de skal bevæge sig, " slutter professor Sánchez.