Nanobotar är maskiner vars komponenter är i nanoskala (en miljondels millimeter), och kan utformas på ett sådant sätt att de har förmågan att röra sig autonomt i vätskor. Även om de fortfarande befinner sig i forsknings- och utvecklingsfasen, betydande framsteg görs mot användningen av nanorobotar inom biomedicin. Deras applikationer är varierande, från identifiering av tumörceller till frisättning av läkemedel på specifika platser i kroppen. Nanorobotar som drivs av katalytiska enzymer är bland de mest lovande systemen eftersom de är helt biokompatibla och kan använda "bränslen" som redan finns i kroppen för sin framdrivning. Dock, att förstå det kollektiva beteendet hos dessa nanorobotar är viktigt för att gå vidare mot deras användning i klinisk praxis.

Nu, i en ny studie publicerad i tidskriften Vetenskapsrobotik , forskare under ledning av ICREA Research Professor Samuel Sánchez och hans team "Smart Nano-Bio-Devices" vid Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC), tillsammans med gruppen Radiochemistry &Nuclear Imaging Lab från CIC biomaGUNE ledd av Jordi Llop och Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), har lyckats observera in vivo det kollektiva beteendet hos ett stort antal autonoma nanorobotar inuti blåsan på levande möss med hjälp av radioaktiv isotopmärkning.

"Faktumet att ha kunnat se hur nanorobotar rör sig tillsammans, som en svärm, och att följa dem i en levande organism, är viktigt, eftersom miljontals av dem behövs för att behandla specifika patologier som, till exempel, cancertumörer, säger Samuel Sánchez, huvudutredare på IBEC.

"Vi har för första gången visat att nanorobotar kan övervakas in vivo genom Positron Emission Tomography (PET), en mycket känslig, icke-invasiv teknik som används i den biomedicinska miljön, " säger Jordi Llop, huvudforskare vid Radiochemistry &Nuclear Imaging Lab från CIC biomaGUNE.

Att göra detta, forskarna utförde först in vitro-experiment, övervakning av nanorobotarna genom optisk mikroskopi och positronemissionstomografi (PET). Båda teknikerna gjorde det möjligt för dem att observera hur nanopartiklarna blandade sig med vätskorna och kunde migrera, kollektivt, följa komplexa vägar. Nanorobotarna administrerades sedan intravenöst till möss och, till sist, införs i dessa djurs blåsor. Eftersom nanorobotar är belagda med ett enzym som kallas ureas, som använder urea från urin som bränsle, de simmar kollektivt och inducerar vätskeflöden inuti urinblåsan.

Kollektiva rörelser som liknar fågelflockar eller fiskstim

Teamet av forskare fann att fördelningen av nanoenheter i blåsan hos mössen var homogen, vilket tyder på att den kollektiva rörelsen var samordnad och effektiv. "Nanorobotar visar kollektiva rörelser som liknar de som finns i naturen, som fåglar som flyger i flockar, eller de ordnade mönster som fiskstim följer, " förklarar Samuel Sánchez, ICREA forskningsprofessor vid IBEC. "Vi har sett att nanorobotar som har ureas på ytan rör sig mycket snabbare än de som inte har det. därför, ett bevis på konceptet för den ursprungliga teorin att nanorobotar bättre kommer att kunna nå en tumör och penetrera den, " säger Jordi Llop, huvudutredare på CIC biomaGUNE.

Denna studie visar den höga effektiviteten hos miljontals nanoskopiska enheter för att röra sig på ett koordinerat sätt i både in vitro och in vivo miljöer, ett faktum som utgör ett grundläggande framsteg i nanorobotarnas kapplöpning att bli nyckelaktörerna inom mycket exakta terapier och behandlingar. Framtida tillämpningar inom medicin av dessa nanoskaliga enheter är lovande. Det har också visat sig "att rörelsen av dessa enheter kan övervakas med hjälp av bildtekniker som kan appliceras på miljön in vivo, med andra ord, de kan användas på försöksdjur och erbjuder potential för överföring till människor, säger Cristina Simó, en av de första författarna till studien och en forskare i CIC biomaGUNE-gruppen.

"Detta är första gången som vi direkt kan visualisera den aktiva diffusionen av biokompatibla nanorobotar i biologiska vätskor in vivo. Möjligheten att övervaka deras aktivitet i kroppen och det faktum att de uppvisar en mer homogen fördelning kan revolutionera vårt sätt att förstå nanopartikelbaserad läkemedelsleverans och diagnostiska metoder, säger Tania Patiño, medförfattare till tidningen.

Nanobotsvärmar kan vara särskilt användbara i trögflytande media, där läkemedelsdiffusion ofta begränsas av dålig vaskularisering, såsom i mag-tarmkanalen, ögat, eller lederna. "Faktiskt, eftersom olika enzymer kan införlivas i de små motorerna, nanorobotar kan skräddarsys efter delen i organismen, anpassa enheten till det tillgängliga bränslet i den miljö där de måste röra sig, avslutar professor Sánchez.