Группа ученых из Института имени Макса Планка объединила робототехнику с биологией, оснастив бактерии E. coli искусственными компонентами для создания биогибридных микророботов.
Сначала команда прикрепила к каждой бактерии несколько нанолипосом. Эти носители сферической формы заключают в себе материал, который плавится при освещении ближним инфракрасным светом, и также содержат водорастворимые молекулы химиотерапевтического препарата.
Другой компонент, который исследователи прикрепили к бактериям это магнитные наночастицы. При воздействии магнитного поля частицы оксида железа служат дополнительным стимулятором для этого и без того очень подвижного микроорганизма. Таким образом, легче контролировать перемещение бактерий - улучшенная конструкция для применения в естественных условиях. Связующим звеном между бактериями и магнитными частицами является очень стабильный и трудноразрушимый комплекс стрептавидина и биотина, который был разработан за несколько лет до этого и пригодился при конструировании биогибридных микророботов.
E. coli - быстрые и универсальные пловцы, способные перемещаться по различным материалам - от жидкостей до вязких тканей. Они также обладают высокоразвитыми сенсорными способностями. Бактерии притягиваются к химическим градиентам, таким как низкий уровень кислорода или высокая кислотность - и то, и другое преобладает в опухолевой ткани. Лечение рака путем введения бактерий в непосредственной близости от опухоли получило название бактериопосредованной терапии опухолей. Микроорганизмы попадают в место расположения опухоли, растут там и таким образом активизируют иммунную систему пациентов. Опосредованная бактериями терапия опухолей является терапевтическим подходом уже более века.
В последние несколько десятилетий ученые искали способы еще больше усилить суперспособности E. coli. Они оснащали бактерии дополнительными компонентами, помогающими вести борьбу. Однако добавление искусственных компонентов - задача не из легких. В ход идут сложные химические компоненты, но плотность частиц, загружаемых в бактерии, имеет значение, чтобы избежать их распада. Исследователи подняли планку довольно высоко - им удалось оснастить 86 из 100 бактерий как липосомами, так и магнитными частицами.
В модельном эксперименте с использованием искусственной 3D биологической матрицы ученые показали, что микророботы на основе E. coli, сохранили свою первоначальную подвижность и были способны перемещаться по биологическим матрицам и колонизировать опухолевые сфероиды под воздействием магнитного поля для высвобождения лекарственных молекул по требованию под воздействием ближнего инфракрасного излучения. Затем исследователи направили микророботов через вязкий коллагеновый гель (напоминающий опухолевую ткань) с тремя уровнями жесткости и пористости - от мягкого до среднего и жесткого. Чем жестче коллаген, чем плотнее паутина белковых нитей, тем сложнее бактериям найти путь через матрицу. Авторы показали, что при включении магнитного поля бактериям удается пройти весь путь до другого конца геля.
Как только микророботы накапливаются в нужной точке (опухолевом сфероиде), лазер ближнего инфракрасного диапазона генерирует лучи с температурой до 55 °C, запуская процесс плавления липосом и высвобождения заключенных в них медикаментов. Низкий уровень pH или кислая среда также вызывают разрушение нанолипосом - таким образом, препараты высвобождаются вблизи опухоли автоматически.
"Представьте, что мы вводим таких микророботов в тело ракового больного. С помощью магнитного поля мы могли бы точно направить частицы к опухоли. Когда достаточное количество микророботов окружит опухоль, мы направим на ткань лазер и тем самым запустим высвобождение лекарства. Теперь не только иммунная система пробуждается, но и дополнительные препараты помогают уничтожить опухоль", - говорит Биргюль Аколпоглу, первый автор статьи, опубликованной в журнале Science Advances 15 июля 2022 года. "Такая доставка на место будет минимально инвазивной для пациента, безболезненной, с минимальной токсичностью, а препараты будут оказывать свое действие там, где это необходимо, а не внутри всего организма", - добавляет она.
"Биогибридные микророботы на основе бактерий с медицинскими функциями могут в один прекрасный день более эффективно бороться с раком", - отмечает Аколпоглу. "Терапевтический эффект медицинских микророботов в поиске и уничтожении опухолевых клеток может быть существенным. Наша работа представляет собой многофункциональную микророботическую платформу для управляемой доставки терапевтических препаратов для различных медицинских применений".
