Биоинженеры из Института интеллектуальных систем Общества Макса Планка и Университета Коч разработали микророллер, способный доставить лекарство непосредственно в опухоль для уничтожения раковых клеток, а принципиальная новизна разработки в том, что робот способен передвигаться в кровяном русле и против потока крови, благодаря действию магнитов. Об этом сообщает Science Robotics.
Точечная доставка лекарства крайне необходима при лечении рака, когда применяются препараты с существенными побочными эффектами. Например, для химиотерапии используется препарат доксорубицин, но он настолько токсичен, что не только уничтожает опухоль, но и негативно воздействует на другие органы и системы. С помощью адресной доставки препарата прямо в опухоль этот эффект можно было бы значительно уменьшить.
Хотя область медицинских микророботов продвинулась за последнее десятилетие, их применение внутри человеческого тела было ограничено поверхностными тканями и местами с относительно легкими путями доступа. Минимально инвазивное введение и развертывание медицинских микророботов в тканях в более глубоких местах внутри человеческого тела в кровеносной системе остается еще проблематичным.
Кровеносная система представляет собой идеальный маршрут для навигации, учитывая возможность доступа ко всем органам и любым отдаленным тканям. Однако кровоток ухудшает движение микророботов, особенно для тех, чьи габаритные размеры меньше 10 микрометров. Кроме того, в условиях динамического течения важно сохранить целостность "посылки" до достижения целевого места. Диффузионно-ориентированная доставка грузов в микророботических системах может страдать от взрывного выброса молекул груза до достижения целевого объекта.
В своем исследовании разработчики описали, как многофункциональные магнитные микророллеры позволяют осуществлять управляемую навигацию в сложных конфигурациях кровотока при физиологических напряжениях сдвига стенок сосудов. Поверхностное движение лейкоцитов, поддерживающее сосудистую стенку, может быть имитировано в поверхностно-ползающих или катящихся микророботах для эффективного продвижения в местах ослабленного потока крови.
Еще одной важной особенностью для целевого применения мобильных микророботов является эффективная терапевтическая доставка. Микророллер должен распознавать клетки-мишени с помощью рецепторов на поверхности мембраны. Особенно это важно при отсутствии методов медицинской визуализации высокого разрешения.
Для этого ученые использовали антитела HER2 для таргетинга HER2-экспрессирующих клеток рака молочной железы. Этот подход может быть расширен для таргетинга и других типов рака или сосудистых заболеваний.
Наконец, на последнем этапе микророботы должны надежно прикрепляться к клеткам-мишеням, чтобы обеспечить их долгосрочное воздействие в месте назначения.
Предлагаемые разработчиками микророллеры с магнитной тягой и рулевым управлением могут достигать скорости движения до 600 мкм в секунду и на данный момент являются одними из самых быстрых магнитных микророботов. Они приводятся в движение против физиологического кровотока и генерируют восходящий импульс для перемещения по наклонным трехмерным поверхностям в физиологически значимом кровотоке.
Сферические микророллеры состоят из магнитно-реагирующих микрочастиц, состоящих из антител против раковых клеток (anti-HER2) и кремнеземистой половиной для биохимических функций и загрузки груза молекул легких расщепляемых лекарств от рака (доксорубицина). Они изготовлены путем последовательного напыления нанопленок Ni (толщиной от 60 до 2 мкм) и Au (толщиной 20 нм) на предварительно высушенный монослой кремнезема (SiO2) частицы диаметром 7,8-и 3-мкм. Многофункциональные микророллеры приводятся в действие и управляются внешними вращающимися магнитными полями.
"Возможности поверхностно-катящихся магнитных микророботов, представленных в данной работе, представляют собой уникальную многофункциональность, их способности к восходящему движению и управляемой навигации в физиологическом кровотоке в трехмерных каналах", говорится в исследовании.
Это закладывает основу для разработки микророботов нового поколения для управляемой навигации и доставки грузов в системе кровообращения.