Micro-robot bioinspirado basado en glóbulos blancos

 

Micro-robot bioinspirado basado en glóbulos blancos
Crédito: Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes

Un equipo de científicos del Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes (MPI-IS) en Stuttgart inventó un pequeño micro robot que se asemeja a un glóbulo blanco que viaja a través del sistema circulatorio. Tiene la forma, el tamaño y la capacidad de movimiento de los leucocitos, y quizás podría revolucionar el tratamiento mínimamente invasivo de las enfermedades.

Simulando un vaso sanguíneo en un laboratorio, el equipo logró dirigir magnéticamente el micro-rodillo a través de este entorno dinámico y denso. El vehículo de entrega de drogas en forma de bola resistió el flujo sanguíneo simulado, llevando los avances en la entrega de drogas dirigida un paso más allá: dentro del cuerpo, no hay mejor ruta de acceso a todos los tejidos y órganos que el sistema circulatorio. Se extiende por cada celda, ofreciendo una ruta ideal para la navegación. El proyecto de investigación fue publicado en Ciencia Robótica el 20 de mayo con el título «Micro-rodillos de superficie multifuncionales para el suministro dirigido de fármacos en el flujo sanguíneo fisiológico».

El equipo se inspiró en los glóbulos blancos, la fuerza de trabajo del sistema inmune, ya que son las únicas células móviles en el torrente sanguíneo. En su patrulla a lugares donde los patógenos han invadido, ruedan a lo largo de las paredes de los vasos sanguíneos, penetrando fuera del vaso sanguíneo cuando alcanzan un punto problemático. La clave de su motilidad se debe principalmente a una velocidad de flujo sustancialmente disminuida en las paredes del vaso.

Micro-robot bioinspirado basado en glóbulos blancos
Esquema conceptual que representa microrollers activados magnéticamente contra el flujo sanguíneo (aguas arriba) en la pared del vaso. Crédito: Alapan et al., Sci. Robot. 5, eaba5726 (2020)

Explotando el mismo fenómeno, los científicos desarrollaron un micro robot que pueden impulsar activamente y navegar dentro de los vasos sanguíneos en condiciones fisiológicas de flujo sanguíneo de alta velocidad gracias a sus propiedades magnéticas. «Nuestra visión era crear el vehículo de próxima generación para el suministro de medicamentos dirigidos mínimamente invasivos que pueda alcanzar tejidos aún más profundos dentro del cuerpo con rutas de acceso aún más difíciles de lo que era posible anteriormente», dice Metin Sitti, Director del Departamento de Inteligencia Física de MPI-IS y último autor de la publicación. Las terapias convencionales sufren de una distribución inespecífica de medicamentos en el cuerpo, explica en detalle, lo que puede causar graves efectos secundarios en órganos y tejidos no específicos.

Cada micro rodillo tiene un diámetro de poco menos de 8 micrómetros y está hecho de micropartículas de vidrio. Un lado está cubierto con una película delgada de níquel y oro, el otro con moléculas de medicamentos contra el cáncer y biomoléculas específicas que pueden reconocer las células cancerosas. «Utilizando campos magnéticos, nuestros micro-robots pueden navegar río arriba a través de un vaso sanguíneo simulado, lo cual es un desafío debido al fuerte flujo sanguíneo y al denso entorno celular. Ninguno de los micro-robots actuales puede soportar esta corriente. Además, nuestros robots pueden autónomamente reconocen las células de interés como las células cancerosas. Lo hacen gracias a un recubrimiento de anticuerpos específicos de células en su superficie. Luego pueden liberar las moléculas del fármaco mientras están en movimiento «, explica Yunus Alapan. Es investigador postdoctoral en el Departamento de Inteligencia Física y coautor principal de la publicación.

Video de microroller en sangre completa estática de ratones. 

En el laboratorio, el micro-rodillo puede alcanzar una velocidad de hasta 600 micrómetros por segundo, alrededor de 76 longitudes de cuerpo por segundo, lo que representa el micro-robot magnético más rápido a esta escala de tamaño. Sin embargo, se deben abordar varios desafíos antes de que puedan realizar este movimiento en un escenario de la vida real. De hecho, están lejos de ser probados en el cuerpo humano. En el laboratorio, el equipo pudo obtener imágenes de los robots con microscopios y dirigirlos con bobinas electromagnéticas.

Video de los microrollers trepando hacia la parte superior de una superficie 3D curva y propulsando contra el flujo sanguíneo.

«Sin embargo, la resolución de las modalidades de imágenes actuales en una clínica no es lo suficientemente alta como para obtener imágenes de micro robots individuales dentro del cuerpo humano. Además, las cargas terapéuticas transportadas por un solo micro robot no serían suficientes, dada la diferencia de tamaño entre un micro -robot (alrededor de 10 micrómetros) y los tejidos objetivo (miles de micrómetros). Por lo tanto, la manipulación controlada de un gran número de micro robots en un enjambre sería necesaria para generar un efecto suficiente. Pero todavía estamos lejos de eso, «Ugur Bozuyuk dice, quien es un Ph.D. estudiante en el mismo departamento y co-líder del estudio. Esto era solo el principio.

Video de la focalización activa de células cancerosas por microrollers móviles. Los microrollers con anticuerpos HER2 se movieron sobre las células endoteliales para unirse a las células de cáncer de mama humano. 

La motivación para el proyecto de investigación se remonta a la famosa charla del premio Nobel Richard Feynman «Hay mucho espacio en la parte inferior». En su charla, el físico visualiza dispositivos mecánicos a escala de micras que pueden moverse a través de los vasos sanguíneos y realizar las cirugías desde el interior del cuerpo humano, acuñando el término «tragar al cirujano».

Micro-robot bioinspirado basado en glóbulos blancos
Los microrollers (verde) se unen a las células de cáncer de mama (azul y rojo) desde sus lados de sílice.

En las últimas dos décadas, el campo de la investigación se ha acelerado gracias a muchos saltos con respecto a las técnicas de fabricación, los materiales utilizados, la actuación y las imágenes de las micro máquinas. Sin embargo, los micro-robots actuales dentro del cuerpo humano se han limitado principalmente a tejidos superficiales (por ejemplo, dentro del ojo), ubicaciones con rutas de acceso relativamente más fáciles (por ejemplo, el tracto gastrointestinal) y entornos fluidos estancados o de baja velocidad. Para llegar a lugares más profundos dentro del cuerpo, quizás no hay forma de evitar el sistema circulatorio, a pesar de que las condiciones son muy duras. Los científicos esperan que la estrategia bioinspirada que han desarrollado ayude a crear un nuevo lugar para la navegación controlada de micro-robots en el sistema circulatorio en condiciones de flujo sanguíneo de alta velocidad. Esto podría allanar el camino para la administración terapéutica dirigida y localizada por micro robots.

 


Más información:
Yunus Alapan y col. Microrrollers de superficie multifuncionales para la entrega de carga dirigida en el flujo sanguíneo fisiológico.

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