University of Toronto Engineering forskare har byggt en uppsättning magnetiska "pincetter" som kan placera en pärla i nanoskala inuti en mänsklig cell i tre dimensioner med oöverträffad precision. Nanoboten har redan använts för att studera cancercellers egenskaper, och skulle kunna visa vägen mot förbättrad diagnos och behandling.

Professor Yu Sun och hans team har byggt robotar som kan manipulera enskilda celler i två decennier. Deras skapelser har förmågan att manipulera och mäta enstaka celler - användbara i procedurer som provrörsbefruktning och personlig medicin. Deras senaste studie, publiceras idag i Vetenskapsrobotik , tar tekniken ett steg längre.

"Än så länge, vår robot har utforskat utanför en byggnad, vidröra tegelväggen, och försöker ta reda på vad som händer inuti, " säger Sun. "Vi ville placera ut en robot i byggnaden och undersöka alla rum och strukturer."

Teamet har skapat robotsystem som kan manipulera subcellulära strukturer inuti elektronmikroskop, men det kräver frystorkning av cellerna och skär dem i små skivor. För att undersöka levande celler, andra team har använt tekniker som laser eller akustik.

"Optisk pincett - att använda laser för att sondera celler - är ett populärt tillvägagångssätt, säger Xian Wang, doktorsexamen kandidat som utförde forskningen. Tekniken belönades med 2018 års Nobelpris i fysik, men Wang säger att kraften som den kan generera inte är tillräckligt stor för mekanisk manipulation och mätning han ville göra.

"Du kan försöka öka kraften för att generera högre kraft, men du riskerar att skada de subcellulära komponenterna du försöker mäta, säger Wang.

Systemet Wang designade använder sex magnetiska spolar placerade i olika plan runt ett mikroskop täckglas fröat med levande cancerceller. En magnetisk järnpärla med en diameter på cirka 700 nanometer – ungefär 100 gånger mindre än tjockleken på ett människohår – placeras på täckglaset, där cancercellerna lätt tar upp det inuti sina membran.

När pärlan väl är inne, Wang kontrollerar sin position med hjälp av realtidsfeedback från konfokalmikroskopi. Han använder en datorstyrd algoritm för att variera den elektriska strömmen genom var och en av spolarna, forma magnetfältet i tre dimensioner och coaxera kulan till valfri position i cellen.

"Vi kan kontrollera positionen till ett par hundra nanometer nedför Browns rörelsegräns, " säger Wang. "Vi kan utöva krafter en storleksordning högre än vad som skulle vara möjligt med lasrar."

I samarbete med Dr Helen McNeil och Yonit Tsatskis på Mount Sinai Hospital och Dr Sevan Hopyan på The Hospital for Sick Children (SickKids), teamet använde sitt robotsystem för att studera urinblåscancerceller i tidiga och senare stadier.

Tidigare studier på cellkärnor krävde deras extraktion från celler. Wang och Sun mätte cellkärnor i intakta celler utan att behöva bryta isär cellmembranet eller cytoskelettet. De kunde visa att kärnan inte är lika stel åt alla håll.

"Det är lite som en fotboll i form - mekaniskt, den är styvare längs den ena axeln än den andra, " säger Sun. "Vi skulle inte ha vetat det utan denna nya teknik."

De kunde också mäta exakt hur mycket styvare kärnan blev när den stöttes upprepade gånger, och bestämma vilket eller vilka cellproteiner som kan spela en roll för att kontrollera detta svar. Denna kunskap kan visa vägen mot nya metoder för att diagnostisera cancer.

"Vi vet att i cellerna i senare skede, den stelande responsen är inte lika stark, " säger Wang. "I situationer där cancerceller i tidigt stadium och celler i senare skede inte ser mycket olika ut morfologiskt, detta ger ett annat sätt att skilja dem åt."

Enligt Sun, forskningen kan gå ännu längre.

"Du skulle kunna tänka dig att ta in hela svärmar av dessa nanobotar, och använda dem för att antingen svälta en tumör genom att blockera blodkärlen i tumören, eller förstöra det direkt via mekanisk ablation, " säger Sun. "Detta skulle erbjuda ett sätt att behandla cancer som är resistenta mot kemoterapi, strålbehandling och immunterapi."

Dessa applikationer är fortfarande långt från klinisk implementering, men Sun och hans team är entusiastiska över denna forskningsriktning. De är redan igång med tidiga djurexperiment med Dr. Xi Huang i SickKids.

"Det är inte riktigt fantastisk resa än, " han säger, hänvisar till science fiction-filmen från 1966. "Men vi har uppnått oöverträffad noggrannhet i positions- och kraftkontroll. Det är en stor del av vad vi behöver för att nå dit, så håll utkik!"