MIT-ingenjörer har designat små robotar som kan hjälpa nanopartiklar som levererar läkemedel att pressa sig ut ur blodomloppet och in i en tumör eller en annan sjukdomsplats. Liksom hantverk i "Fantastic Voyage" - en science fiction -film från 1960 -talet där en ubåtbesättning krymper i storlek och strövar omkring i en kropp för att reparera skadade celler - simmar robotarna genom blodomloppet, skapa en ström som drar nanopartiklar tillsammans med dem.

De magnetiska mikrorobotarna, inspirerad av bakteriell framdrivning, kan hjälpa till att övervinna ett av de största hindren för att leverera läkemedel med nanopartiklar:att få partiklarna att lämna blodkärlen och ackumuleras på rätt plats.

"När du lägger nanomaterial i blodomloppet och riktar dem mot sjuk vävnad, den största barriären för att den typen av nyttolast kommer in i vävnaden är blodkärlens foder, "säger Sangeeta Bhatia, John och Dorothy Wilson professor i hälsovetenskap och teknik och elektroteknik och datavetenskap, medlem i MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research och dess Institute for Medical Engineering and Science, och seniorförfattaren till studien.

"Vår idé var att se om du kan använda magnetism för att skapa flytande krafter som driver nanopartiklar in i vävnaden, "tillägger Simone Schuerle, en tidigare MIT postdoc och huvudförfattare till tidningen, som visas i 26 april -numret av Vetenskapliga framsteg .

I samma studie, forskarna visade också att de kunde uppnå en liknande effekt med svärmar av levande bakterier som är naturligt magnetiska. Var och en av dessa metoder kan vara lämplig för olika typer av läkemedelsleverans, säger forskarna.

Små robotar

Schuerle, som nu är biträdande professor vid Swiss Federal Institute of Technology (ETH Zürich), började först arbeta med små magnetiska robotar som doktorand i Brad Nelsons Multiscale Robotics Lab vid ETH Zürich. När hon kom till Bhatias laboratorium som postdoc 2014, hon började undersöka om den här typen av bot kan hjälpa till att göra nanopartikeldroger effektivare.

I de flesta fallen, forskare riktar sina nanopartiklar till sjukdomar som omges av "läckande" blodkärl, såsom tumörer. Detta gör det lättare för partiklarna att komma in i vävnaden, men leveransprocessen är fortfarande inte så effektiv som den behöver vara.

MIT -teamet bestämde sig för att undersöka om krafterna som genereras av magnetiska robotar kan erbjuda ett bättre sätt att pressa partiklarna ur blodomloppet och in på målplatsen.

Robotarna som Schuerle använde i denna studie är 35 hundradelar av en millimeter långa, liknande i storlek till en enda cell, och kan styras genom att applicera ett externt magnetfält. Denna bioinspirerade robot, som forskarna kallar en "artificiell bakteriell flagellum, "består av en liten helix som liknar flagellan som många bakterier använder för att driva sig själva. Dessa robotar är 3D-tryckta med en högupplöst 3D-skrivare och sedan belagda med nickel, vilket gör dem magnetiska.

För att testa en enda robots förmåga att kontrollera närliggande nanopartiklar, forskarna skapade ett mikrofluidiskt system som efterliknar blodkärlen som omger tumörer. Kanalen i deras system, mellan 50 och 200 mikron bred, är fodrad med en gel som har hål för att simulera de trasiga blodkärlen som ses nära tumörer.

Med externa magneter, forskarna applicerade magnetfält på roboten, vilket får spiralen att rotera och simma genom kanalen. Eftersom vätska strömmar genom kanalen i motsatt riktning, roboten förblir stillastående och skapar en konvektionsström, som skjuter in 200 nanometer polystyrenpartiklar i modellvävnaden. These particles penetrated twice as far into the tissue as nanoparticles delivered without the aid of the magnetic robot.

This type of system could potentially be incorporated into stents, which are stationary and would be easy to target with an externally applied magnetic field. Such an approach could be useful for delivering drugs to help reduce inflammation at the site of the stent, Bhatia says.

Bacterial swarms

The researchers also developed a variant of this approach that relies on swarms of naturally magnetotactic bacteria instead of microrobots. Bhatia has previously developed bacteria that can be used to deliver cancer-fighting drugs and to diagnose cancer, exploiting bacteria's natural tendency to accumulate at disease sites.

För denna studie, the researchers used a type of bacteria called Magnetospirillum magneticum, which naturally produces chains of iron oxide. These magnetic particles, known as magnetosomes, help bacteria orient themselves and find their preferred environments.

The researchers discovered that when they put these bacteria into the microfluidic system and applied rotating magnetic fields in certain orientations, the bacteria began to rotate in synchrony and move in the same direction, pulling along any nanoparticles that were nearby. I detta fall, the researchers found that nanoparticles were pushed into the model tissue three times faster than when the nanoparticles were delivered without any magnetic assistance.

This bacterial approach could be better suited for drug delivery in situations such as a tumor, where the swarm, controlled externally without the need for visual feedback, could generate fluidic forces in vessels throughout the tumor.

The particles that the researchers used in this study are big enough to carry large payloads, including the components required for the CRISPR genome-editing system, Bhatia says. She now plans to collaborate with Schuerle to further develop both of these magnetic approaches for testing in animal models.