Tým vědců z oddělení fyzické inteligence Institutu Maxe Plancka pro inteligentní systémy, zkombinoval robotiku s biologií tím, že vybavil bakterie E. coli umělými součástmi pro konstrukci biohybridních mikrorobotů. Za prvé, jak je vidět na obrázku 1., tým připojil několik nanolipozomů ke každé bakterii. Na svém vnějším kruhu tyto kulovité nosiče uzavírají materiál (ICG, zelené částice), který taje, když je osvětlen blízkým infračerveným světlem. Dále směrem ke středu, uvnitř vodného jádra, lipozomy zapouzdřují ve vodě rozpustné molekuly chemoterapeutického léčiva (DOX), napsal server PHYS.

Druhou složkou, kterou vědci k bakterii připojili, jsou magnetické nanočástice. Když jsou částice oxidu železa vystaveny magnetickému poli, slouží jako podpůrný prostředek pro tento již vysoce pohyblivý mikroorganismus. Tímto způsobem je snazší kontrolovat plavání bakterií – vylepšený design směrem k aplikaci in vivo. Mezitím je lano, které váže lipozomy a magnetické částice k bakterii, velmi stabilní a těžko rozbitný komplex streptavidinu a biotinu, který byl vyvinut před několika lety a popsán v článku Nature a je užitečný při konstrukci biohybridních mikrorobotů.

Bakterie E. coli jsou rychlí a všestranní plavci, kteří se mohou pohybovat materiálem od kapalin až po vysoce viskózní tkáně. Ale to není vše, mají také vysoce pokročilé schopnosti snímání. Bakterie jsou přitahovány chemickými gradienty, jako jsou nízké hladiny kyslíku nebo vysoká kyselost – obojí převládá v blízkosti nádorové tkáně. Léčba rakoviny injekcí bakterií v blízkosti je známá jako terapie nádorů zprostředkovaná bakteriemi. Mikroorganismy proudí tam, kde se nádor nachází, rostou tam a aktivují tak imunitní systém pacientů. Léčba nádorů zprostředkovaná bakteriemi je terapeutickým přístupem již více než století.

V posledních několika desetiletích vědci hledali způsoby, jak ještě více zvýšit superschopnosti tohoto mikroorganismu. Vybavili bakterie dalšími součástmi, které jim pomohou v boji. Přidání umělých komponentů však není snadný úkol. Ve hře jsou složité chemické reakce a na rychlosti hustoty částic nanesených na bakterie záleží, aby se zabránilo zředění. Tým ve Stuttgartu nyní zvedl laťku docela vysoko. Podařilo se jim vybavit 86 ze 100 bakterií jak liposomy, tak magnetickými částicemi.

Vědci ukázali, jak se jim podařilo externě řídit takové řešení s vysokou hustotou prostřednictvím různých kurzů. Nejprve úzkým kanálem ve tvaru L se dvěma kompartmenty na každém konci, s jedním nádorovým sféroidem v každém. Za druhé, ještě užší uspořádání připomínající drobné krevní cévy. Na jednu stranu přidali další permanentní magnet a ukázali, jak přesně ovládají mikroroboty nabité léky směrem k nádorovým sféroidům. A za třetí – jdeme ještě o krok dále – tým řídil mikroroboty přes viskózní kolagenový gel (připomínající nádorovou tkáň) se třemi úrovněmi tuhosti a pórovitosti, od měkké přes střední až po tuhou. Čím je kolagen tužší, čím pevnější je síť proteinových řetězců, tím obtížnější je pro bakterie najít cestu skrz matrici (obrázek 2). Tým ukázal, že jakmile přidá a magnetické pole, bakterie zvládnou navigovat celou cestu na druhý konec gelu, protože bakterie měly vyšší sílu. Kvůli neustálému zarovnání si bakterie našly cestu skrz vlákna.

Jakmile jsou mikroroboti nahromaděni v požadovaném bodě (nádorový sféroid), blízký infračervený laser generuje paprsky s teplotou až 55 stupňů Celsia, čímž spustí proces tání liposomu a uvolnění uzavřených léčiv. Nízká hladina pH nebo kyselé prostředí také způsobí, že se nanolipozomy otevřou – proto se léky uvolňují v blízkosti nádoru automaticky.

Foto: 1011266163/Science Advances

„Představte si, že bychom do těla pacienta s rakovinou vstříkli mikroroboty založené na bakteriích. Pomocí magnetu bychom mohli přesně nasměrovat částice směrem k nádoru. Jakmile nádor obklopí dostatek mikrorobotů, namíříme laser na tkáň a tím spustíme uvolňování léku. Nyní se nejen probudí imunitní systém, ale další léky také pomohou zničit nádor,“ říká Birgül Akolpoglu, Ph.D. student na katedře fyzické inteligence na MPI-IS. Je první autorkou publikace nazvané „Magneticky řiditelné bakteriální mikroroboty pohybující se ve 3D biologických matricích pro doručování nákladu reagující na podněty“, kterou spolu vedl bývalý postdoktorandský výzkumník na Oddělení fyzické inteligence Dr. Yunus Alapan. Byla zveřejněna v Science Advances dne 15. července 2022.

„Tato dodávka na místě by byla pro pacienta minimálně invazivní, bezbolestná, s minimální toxicitou a léky by rozvinuly svůj účinek tam, kde je to potřeba, a ne uvnitř celého těla,“ dodává Alapan.

„Biohybridní mikroroboti na bázi bakterií s lékařskými funkcemi by jednoho dne mohli účinněji bojovat s rakovinou. Je to nový terapeutický přístup, který není příliš vzdálen tomu, jak dnes rakovinu léčíme,“ říká prof. Dr. Metin Sitti, který vede oddělení fyzické inteligence a je posledním autorem publikace. „Terapeutické účinky lékařských mikrorobotů při vyhledávání a ničení nádorových buněk by mohly být značné. Naše práce je skvělým příkladem základního výzkumu, jehož cílem je prospět naší společnosti.“