ETH-forskare använder magnetiska bakterier för att kontrollera vätskor på mikronivå. De funderar redan på att använda dem i människans blodomlopp för precisionsleverans av cancerläkemedel till en tumör.

Cancerläkemedel har biverkningar, så i många år, forskare har undersökt sätt att transportera de aktiva substanserna till en tumör i kroppen så exakt som möjligt. Det är det enda stället där droger ska få effekt. Ett tillvägagångssätt är att injicera dem i blodomloppet och kontrollera deras transport i små kärl vid tumörställen genom att lokalt förändra blodflödet med små fordon. Forskningslaboratorier har skapat mikrorobotar vars form och framdrivning är inspirerad av bakterier och som är tillräckligt små för att kunna föras in i blodkärlen. Dessa mikrofordon kan drivas från utsidan av kroppen av ett rörligt magnetfält.

Simone Schürle, professor vid institutionen för hälsovetenskap och teknik, går nu ett steg längre:Istället för mikrorobotar inspirerade av bakterier, hon vill använda riktiga bakterier som är magnetiska. Forskare upptäckte sådana magnetotaktiska bakterier i havet för 45 år sedan. Dessa mikroorganismer absorberar järn löst i vattnet; järnoxidkristaller bildas i deras inre och radar upp sig i rad. Som en kompassnål, dessa bakterier anpassar sig till jordens magnetfält så att de kan navigera i vattnet på ett riktat sätt.

Exakt styrning med magnetfält

ETH Professor Schürle och hennes team undersökte hur man använder ett magnetfält för att kontrollera dessa bakterier i laboratoriet som ett sätt att styra vätskeflödet på ett kontrollerat sätt. I sina experiment, de applicerade endast relativt svaga roterande magnetfält för att snurra bakterierna längs önskade riktningar. Och med många bakterier i en svärm, det visade sig möjligt att flytta vätskan som omgav dem. Bakterierna ger en effekt som liknar den hos en mikropump, vilket innebär att de kan flytta aktiva substanser som finns i vätskan i olika riktningar, till exempel från blodomloppet in i tumörvävnaden. Genom att använda överlagrade magnetfält som lokalt förstärker eller upphäver varandra, denna pumpaktivitet kan begränsas till en liten region med precision, som Schürles team har kunnat visa i simuleringar.

Dessutom, principen kan användas utanför kroppen att blanda olika vätskor lokalt med varandra i mycket små kärl utan att behöva tillverka och styra mekaniska mikropumpar.

Död eller levande

Deras arbete är främst inriktat på att undersöka tillvägagångssättet och beskriva hur bakterierna kan styra flödet. Innan sådana bakterier kan användas i människokroppen, deras säkerhet måste först utredas. Dock, Att föra in bakterier i kroppen av medicinska skäl är ett tillvägagångssätt som vetenskapen redan eftersträvar under termen "levande terapi, "om än med andra typer av bakterier, såsom E. coli.

Det bör också vara möjligt att använda icke-naturliga bakterier för framtida medicinska tillämpningar. Syntetisk biologi kan användas för att konstruera bakterier som har optimerade funktionella egenskaper och är säkra för användning i människokroppen, till exempel genom att inte orsaka allergiska reaktioner. Schürle kan tänka sig behandlingar med bakterier som dödas innan de förs in i kroppen samt behandlingar med levande bakterier.

Fin kontroll genom självframdrivning

Det har också varit känt i flera decennier att vissa typer av anaeroba bakterier (som inte kräver syre för att växa) helst ansamlas i cancerpatienters tumörer. Med andra ord, dessa bakterier föredrar naturligtvis de låga syreförhållandena i tumörer framför resten av kroppen. Även om detta undersöktes i andra bakterier än de som användes av Schürles team, syntetisk biologi skulle kunna användas för att kombinera fördelarna med flera bakteriearter. Detta kan leda till utvecklingen av bakterier som närmar sig tumören som drivs av sina egna flageller (piskliknande bihang) och som sedan kan transporteras exakt djupt in i tumörvävnaden med hjälp av externa magnetiska krafter.