Микробалончета роботи влизат в битката с рака

Екип от Калифорнийския технологичен институт и Южнокалифорнийския университет създава ново поколение микророботи, които сами се насочват към тумора. Учените под ръководството на проф. Уей Гао описват успешното им приложение при лечението на тумори на пикочния мехур на мишки в статия, публикувана в списанието Nature Nanotechnology и озаглавена „Ензимни роботи с микромехурчета.“

Предисторията

Проучването, осъществено от групата за научни изследвания на проф. Уей Гао, е продължение на предходна научна разработка по същата тема, резултатите от която учените публикуват в списание Science Robotics. Миниатюрните 3D роботи, които създават преди две години са с хидрогелова обвивка. Във вътрешността им има мехурче с газ. Насочват се към тумора с помощта на магнити и ултразвук. В него се разграждат и освобождават товара си от лекарство, насочено срещу тумора. Проблемът е, че производството се извършва в стерилни стаи и със специализирано оборудване. Това оскъпява сериозно продуктите. Всъщност, сред най-големите предизвикателства, когато става дума за тези миниатюрни роботи, са ефективността, биосъвместимостта и рентабилността.

Балончетата – роботи

Проф. Уей Гао споделя, че едно от нещата, за които мислят в екипа е, как да направят нещата още по-опростени.

„Ами ако самият балон стане робот? Можем много лесно да правим балончета. Вече знаем, че са биосъвместими“, спомня си началото на новото проучване проф. Гао.

Екипът разработва изключително опростен метод за създаването на балончетата. За целта използват ултразвукова сонда и разбъркват разтвор, който се състои от говежди серумен албумин (стандартен животински протеин, използван често в лабораторни експерименти). Така създават хиляди микробалончета с протеинови обвивки.

Изследователите използват една от характеристиките на протеиновата обвивка и това е изобилието от аминогрупи на повърхността. Аминогрупите представляват съвкупност от атоми, съдържащи въглеродно-азотна връзка. Предимството е, че връзката може да бъде модифицирана химически много лесно.

Като свързват аминогрупите, учените създават два вида микророботи, като има различни начини, по които движенията им се контролират. В случая е важно, че лекарствата против рак, като например доксорубицинът, се свързват успешно с повърхността и на двете версии.

Следващата стъпка на екипа е да прикрепи ензима уреаза към повърхността и на двете версии на балончетата роботи. Причината е, че уреазата действа като миниатюрен двигател, който задвижва роботите. Ензимът катализира реакция с урея, изобилен отпадъчен продукт, който се намира в цялото тяло и служи за биогориво на роботите като произвежда амоняк и въглероден диоксид. Уреазата не е разпределена равномерно по повърхността на мехурчетата и с течение на времето повечето от продуктите се натрупват на едната страна. Подобен дисбаланс създава асиметрична химическа среда около балончетата и по този начин дава тласъка, нужен за задвижването напред на микророботите.

Версиите на балончетата роботи

На първата версия учените прикрепят магнитни наночастици към повърхността и така правят балончетата чувствителни към магнит. По този начин направляват устройствата с външно магнитно поле и проследяват движението им с ултразвук.

„Искахме да направим роботите по-интелигентни, затова предприехме следващата стъпка. Знаем, че туморите и възпаленията произвеждат високи концентрации на водороден пероксид, затова решихме да свържем с повърхността на втората версия допълнителния ензим каталаза“, обяснява проф. Уей Гао и уточнява, че каталазата предизвиква реакция с водородния пероксид и създава вода и кислород. А чрез хемотактичното (движение в отговор на химичен стимул) поведение, свързаните с каталазата мехурчета се движат автоматично към по-високи концентрации на водороден пероксид и насочват към туморите.

„В този случай няма нужда от никакво външно управление, защото роботът е достатъчно умен, за да открие тумора. Автономното движение на балончето робот и неговата способност да усеща градиента на водородния пероксид водят до хемотактичното насочване към тумора“, казва проф. Гао.

Как действат балончетата роботи

Когато роботите с балончета достигнат целта си, учените прилагат фокусиран ултразвук, за да ги спукат и така освобождават терапевтичния им товар. Именно силният натиск при спукването прави възможно лекарството да проникне по-добре в тумора, особено в сравнение с роботите с хидрогел, които се разграждат бавно.

Резултатите при инжектирането на балончетата на мишки са обнадеждаващи. Екипът установява, че теглото на туморите в пикочния мехур намалява с 60% за 21 дни.

„In vivo проучванията потвърждават насочването към тумора и терапевтичната ефикасност на тези роботи, които демонстрират засилени противотуморни ефекти.Тази многофункционална роботизирана платформа с микромехурчета има потенциала да трансформира медицинските интервенции и прецизните терапии“, пишат авторите в статията в списанието Nature Nanotechnology.

Основният извод на екипа е, че балончетата роботи събират в себе си всичко, от което има нужда при терапия срещу рак. А това е биосъвместимост, контролирано движение, насочване чрез изображение и силен натиск, който помага на лекарството да проникне по-дълбоко в тумора. Когато към това се добавят още простотата на метода и особено способността на микророботите да се самонасочват, прилагането на устройствата в онкологията, но и в други области на медицината е изключително перспективно.