Små fordon upp till 1, 000 gånger mindre än bredden på ett mänskligt hårstrå som är inkapslat i biologiskt kamouflage kan ge nya sätt att behandla cancer med färre biverkningar.

Under miljarder år har naturen fulländat geniala sätt för biologiska celler att röra sig i sin miljö och ofarligt transportera förpackningar med kemikalier mellan varandra.

Nu härmar forskare några av dessa processer för att skapa nya "nanomaskiner" som så småningom kan hjälpa till att behandla sjukdomar som leukemi och andra cancerformer.

Ett tillvägagångssätt tar sin inspiration från berättelsen om belägringen av Troja, när grekerna gömde sina krigare i en gigantisk trähäst för att ta sig in i staden.

Professor Valentina Cauda, en kemiingenjör vid Politecnico di Torino i Italien, leder ett projekt för att skapa kristaller av zinkoxid i nanostorlek som kan döda cancerceller från insidan. Själva kristallerna, som är cirka 20 nanometer stora - cirka 6, 000 gånger mindre än bredden på ett mänskligt hårstrå – kan vara giftigt för friska celler i kroppen och kan utlösa en immunreaktion som hindrar dem från att nå tumören.

Men Prof. Cauda och hennes kollegor i TrojaNanoHorse-projektet har utvecklat ett skal runt kristallerna så att de kan glida förbi kroppens försvar och inuti cancerceller.

"Tanken är att undkomma immunsystemet och att undvika barriären av cellmembranet tack vare det biomimetiska skalet, " säger prof. Cauda. "I den trojanska hästanalogin, (cancer)cellen kan vara staden Troja."

Fet

De små skalen, som är mellan 100-200nm eller 1, 000 gånger mindre än ett människohår, är gjorda av fettmolekyler som kallas lipider som bildar det yttre membranet av nästan alla levande celler. I naturen, små droppar gjorda av dessa lipider – så kallade vesiklar – knoppar ständigt av från ytan av våra celler med kemiska meddelanden eller oönskade material inuti så att de kan transporteras säkert till andra delar av kroppen.

Prof. Cauda och hennes team har försökt kopiera detta genom att belägga sina nanokristaller i vesiklar som produceras av celler som odlats i labbet så att de också kan passera ofarligt genom kroppen. Ytan på vesiklarna kan också vara översållad med antikroppar mot specifika cancerceller, hjälpa dem att skärpa in på bara de celler de vill döda.

När en vesikel hittar en cancercell, dess antikroppar kommer att binda till ytan, låter lipiderna smälta samman med cellen och frigör den giftiga nanokristallen inuti. Och genom att odla nanoskal från celler tagna från en patients egen kropp, Prof. Cauda tror att det kommer att vara möjligt att skapa personliga behandlingar som kan undvika immunförsvaret samtidigt som de dödar cancerceller.

Teamet har redan testat nanoshell-metoden mot leukemiceller och livmoderhalscancer i laboratoriet. Även om de hoppas kunna utföra mänskliga försök i framtiden, Prof. Cauda varnade för att det fortfarande kunde dröja många år innan de når det stadiet.

Fördelar

Om det lyckas, dock, detta nanomedicinska tillvägagångssätt kan ge fördelar jämfört med traditionella kemoterapibehandlingar genom att endast rikta in sig på tumörceller, lämnar frisk vävnad opåverkad och minskar på så sätt biverkningar.

"Det nanomedicinska tillvägagångssättet skulle kunna erbjuda en platsselektiv och personlig behandling för patienten, " sade prof. Cauda.

Detta tillvägagångssätt, dock, förlitar sig fortfarande till stor del på att nanoskalen chancerar på cancercellerna när de cirkulerar i patientens blodomlopp så att de kan fästa vid dem.

Ett annat team av forskare arbetar med nano- och mikromaskiner som aktivt kan förbättra detta genom att bära behandlingar till den plats i kroppen där de behövs.

Dr Larisa Florea, en materialvetare vid Trinity College Dublin i Irland, leder ett projekt som heter ChemLife för att skapa miniatyrfordon som kan röra sig av sig själva i en vätska.

Kemotaxi

Teamet försöker efterlikna en form av rörelse som kallas kemotaxi, som används av vissa grundläggande mikroorganismer och gör det möjligt för dem att gå igenom lösningar från låg salthalt till hög salthalt, eller från sura till alkaliska lösningar, till exempel.

Andra forskarlag i USA har tidigare visat att konstgjorda droppar kan navigeras mycket exakt genom komplexa labyrinter med detta tillvägagångssätt. Dr Florea och hennes kollegor har försökt utöka detta genom att använda ljus för att kontrollera dropparnas rörelse.

De har skapat vesikelliknande droppar som parar ljuskänsliga molekyler med föreningar som kallas ytaktiva ämnen. Ytaktiva ämnen finns vanligtvis i tvättmedel men är också vanliga i många biologiska system.

När den utsätts för ljus, de "ljuskänsliga" molekylerna reagerar genom att ändra sin form, ändra ytspänningen på varje sida av droppen. Detta gör att molekylerna i droppen flyter från ena sidan till den andra, driver det framåt, lite som slitbanan på en tank.

Teamet har visat att de exakt kan styra droppar genom tredimensionella utrymmen och nå hastigheter på upp till 10,4 mm per sekund (0,02 mph).

"Om du jämför hastigheten på rörelsen med storleken på dessa mikrodroppar, de är snabbare, pund för pund, än några av de bästa simmare i världen, " sa Dr Florea.

De har också kunnat visa att deras droppformade fordon kan frakta last, levererar det till andra droppar för att utlösa en kemisk reaktion. Det väcker förhoppningar om att liknande metoder skulle kunna användas för att leverera läkemedel eller andra typer av behandlingar till specifika celler i kroppen.

Även om det kan vara svårt att använda ljus för att navigera en drogbärande droppe genom kroppen, Dr Florea och hennes kollegor har också utforskat att använda milda elektriska strömmar.

Driva fram

Teamet har också utvecklat mer komplexa mikromaskiner som kan simma eller krypa genom vätskor som små bakterier. Genom att använda mycket exakta 3D-utskriftstekniker, de har kunnat skapa hydrogelstrukturer runt några mikrometer stora som kan dra ihop sig och expandera för att driva en struktur framåt.

"Vi har gjort små blomliknande strukturer, till exempel, som kan öppnas och stängas som svar på olika stimuli, ", sa hon. "Till exempel kan det öppna vid ett visst pH och stänga vid ett annat."

Detta händer eftersom hydrogelerna expanderar genom att absorbera vatten och drar ihop sig genom att driva ut det enligt pH i den omgivande lösningen. Dr Florea sa att de hoppas kunna kontrollera rörelsen av hydrogeler med förändringar i temperatur eller ljuspulser.

ChemLife-teamet använder dessa hydrogeler för att skapa strukturer med små roterande flageller - de små svansliknande bihangen som vissa bakterier använder för att driva sig själva. De skapar också maskliknande strukturer från samma sorts hydrogeler som kan krypa längs ytor eller genom vätskor.

"Det slutliga målet är att få dessa mikrofordon att utföra åtgärder som läkemedelstillförsel eller (kemisk) avkänning, " sa Dr Florea. "Men vi måste vara realistiska att detta kanske inte kommer att uppnås inom en snar framtid eftersom kroppen är en mycket svår miljö."

De små rörliga strukturerna kan också användas på andra sätt. Dessa inkluderar att leverera kemikalier för att bättre förbättra industriella reaktioner eller skapa mjuka mikrogripare som kan fjärraktiveras för att hantera känsliga komponenter som celler utan att skada dem.

"När man tittar på vad naturen kan åstadkomma, möjligheterna är oändliga, " tillade Dr Florea.