Un team di scienziati del laboratorio Wang e del gruppo di ricerca Zhang dell’Università della California, a San Diego, ha trascorso gli ultimi cinque anni a sviluppare microrobot bioibridi, minuscoli oggetti realizzati con materiali sia naturali che sintetici, che possono essere utilizzati in medicina.
I microrobot bioibridi
Nella ricerca appena pubblicata, gli scienziati hanno realizzato un microrobot bioibrido basato su microalghe verdi in grado di somministrare la chemioterapia direttamente al polmone e trattare le metastasi polmonari.
I tumori che raggiungono i polmoni, o metastasi polmonari , rappresentano una sfida formidabile nel campo del trattamento del cancro. La chemioterapia convenzionale spesso fallisce perché è inefficace. Non colpisce direttamente i polmoni né si accumula in una concentrazione sufficientemente elevata da uccidere i tumori.
I microrobot sintetici sono tipicamente costituiti da strutture metalliche o polimeriche rigide difficili da produrre. Non sono in grado di accedere a determinati organi e tessuti e possono essere tossici per l’uomo.
Le microalghe superano queste preoccupazioni. Innanzitutto, le microalghe possono muoversi autonomamente utilizzando un’appendice simile a un capello chiamata flagello per spingersi attraverso organi come i polmoni. Sono meno tossici di altri microrganismi. Sono anche più economici e più facili da produrre.
Il microrobot bioibrido, chiamato robot alga NP (DOX) , combina microscopiche microalghe verdi vive comunemente utilizzate nei prodotti farmaceutici, Chlamydomonas reinhardtii, con nanoparticelle rivestite con membrane di globuli rossi.
Le membrane cellulari agiscono come un “mimetismo” naturale per migliorare la biocompatibilità del microrobot e impedire che venga attaccato dal sistema immunitario del paziente. All’interno delle nanoparticelle è presente un tipo comune di farmaco chemioterapico chiamato doxorubicina.
I ricercatori lo hanno testato basati sulle alghe su topi con metastasi polmonari. Somministrandoli a base di alghe attraverso la trachea, potremmo trasportare il farmaco direttamente nei polmoni e ridurre al minimo gli effetti collaterali su altri organi.
Una volta nei polmoni, il microrobot basato sulle alghe potrebbe nuotare e distribuire il farmaco attraverso il tessuto polmonare . Potrebbe anche eludere la distruzione da parte delle cellule immunitarie nei polmoni, consentendo il rilascio graduale del farmaco dalle nanoparticelle.
Rispetto alle nanoparticelle caricate con farmaci liberi e statiche che non possono muoversi da sole, i microrobot bioibridi si sono accumulati in concentrazioni maggiori e sono stati trattenuti più a lungo nei polmoni.
Fornendo in modo più efficace la chemioterapia ai tessuti polmonari malati, hanno migliorato significativamente i risultati terapeutici riducendo i tumori polmonari ed estendendo la sopravvivenza dei topi trattati. I topi trattati con i nostri microrobot a base di alghe hanno sperimentato un aumento del 40% del tempo medio di sopravvivenza, estendendo la sopravvivenza da 27 a 37 giorni.
Le cellule immunitarie alla fine scompongono i microrobot in componenti non tossici e li rimuovono completamente dal corpo.
I risultati mostrano che rappresentano un potente approccio per somministrare farmaci ai polmoni per curare le malattie polmonari.
In precedenza gli studiosi hanno utilizzato la nostra piattaforma di microrobot con microalghe verdi per trattare la polmonite polmonare acuta . Ora si stanno concentrando sul trattamento di altre malattie polmonari impegnative, come la fibrosi cistica e la fibrosi polmonare idiopatica.
Stanno anche lavorando per creare un modo per fornire in modo più efficace e non invasivo i nostri microrobot bioibridi. L’integrazione di ulteriori strategie di controllo del movimento come la guida magnetica o l’intrappolamento degli ultrasuoni potrebbe migliorare l’accumulo del farmaco in specifici siti bersaglio del corpo.
Ci vorrà del tempo prima che microrobot bioibridi appaiano nella clinica, ma nel complesso, la combinazione di microalghe viventi con nanoparticelle rivestite di membrana cellulare per fornire farmaci può aiutare a gettare le basi per trattamenti contro il cancro bioingegnerizzati.
Microrobot che nuotano forniscono farmaci antitumorali ai tumori polmonari metastatici nei topi
Gli ingegneri dell’Università della California a San Diego hanno sviluppato robot microscopici, noti come microrobot, in grado di nuotare attraverso i polmoni per fornire farmaci antitumorali direttamente ai tumori metastatici. Questo approccio si è rivelato promettente nei topi, dove ha inibito la crescita e la diffusione dei tumori che avevano metastatizzato ai polmoni, aumentando così i tassi di sopravvivenza rispetto ai trattamenti di controllo.
I risultati sono dettagliati in un articolo pubblicato su Science Advances .
I microrobot sono un’ingegnosa combinazione di biologia e nanotecnologia. Sono uno sforzo congiunto tra i laboratori di Joseph Wang e Liangfang Zhang, entrambi professori del Dipartimento di chimica e nanoingegneria della famiglia Aiiso Yufeng Li presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego.
Per creare i microrobot, i ricercatori hanno attaccato chimicamente nanoparticelle riempite di farmaco alla superficie delle cellule di alghe verdi . Le alghe, che forniscono il movimento ai microrobot, consentono alle nanoparticelle di nuotare in modo efficiente nei polmoni e di fornire il loro carico terapeutico ai tumori.
Le nanoparticelle sono costituite da minuscole sfere polimeriche biodegradabili, caricate con il farmaco chemioterapico doxorubicina e rivestite con membrane di globuli rossi. Questo rivestimento svolge una funzione fondamentale: protegge le nanoparticelle dal sistema immunitario, consentendo loro di rimanere nei polmoni abbastanza a lungo da esercitare i loro effetti antitumorali.
“Agisce come un camuffamento”, ha detto il co-primo autore dello studio Zhengxing Li, che ha un dottorato di ricerca in nanoingegneria. studente in entrambi i gruppi di ricerca di Wang e Zhang. “Questo rivestimento fa sembrare la nanoparticella un globulo rosso del corpo, quindi non innescherà una risposta immunitaria.”
Questa formulazione di alghe che trasportano nanoparticelle è sicura, hanno osservato i ricercatori. I materiali utilizzati per realizzare le nanoparticelle sono biocompatibili mentre le alghe verdi utilizzate, Chlamydomonas reinhardtii, sono riconosciute come sicure per l’uso dalla Food and Drug Administration statunitense.
Questo studio si basa sul lavoro precedente dei team di Wang e Zhang che utilizzavano microrobot simili per trattare la polmonite mortale nei topi . “Quelli furono i primi microrobot ad essere testati in modo sicuro nei polmoni di animali vivi”, ha detto Wang.
Nel lavoro precedente, i microrobot hanno combattuto la diffusione dei batteri che causano la polmonite utilizzando una diversa combinazione di farmaco e membrana cellulare per le nanoparticelle. Modificando questi componenti, il team ha ora adattato i microrobot per combattere la diffusione delle cellule tumorali nei polmoni.
“Dimostriamo che si tratta di una piattaforma tecnologica in grado di fornire terapie in modo attivo ed efficiente in tutto il tessuto polmonare per combattere diversi tipi di malattie mortali nei polmoni”, ha affermato Zhang.
Nel presente studio, topi con melanoma che aveva metastatizzato ai polmoni sono stati trattati con i microrobot, che sono stati somministrati ai polmoni attraverso un piccolo tubo inserito nella trachea.
I topi trattati hanno sperimentato un tempo di sopravvivenza mediano di 37 giorni, un miglioramento rispetto al tempo di sopravvivenza mediano di 27 giorni osservato nei topi non trattati, così come nei topi che hanno ricevuto il farmaco da solo o nanoparticelle riempite di farmaco senza alghe.
“Il movimento di nuoto attivo dei microrobot ha migliorato significativamente la distribuzione del farmaco nel tessuto polmonare profondo , prolungando il tempo di ritenzione”, ha affermato Li. “Questa distribuzione migliorata e il tempo di ritenzione prolungato ci hanno permesso di ridurre il dosaggio del farmaco richiesto, riducendo potenzialmente gli effetti collaterali pur mantenendo un’elevata efficacia di sopravvivenza.”
Andando avanti, il team sta lavorando per portare questo trattamento con microrobot alla sperimentazione su animali più grandi, con l’obiettivo finale della sperimentazione clinica sull’uomo.
Sviluppati microrobot magnetici con folato per promuovere la somministrazione mirata di farmaci alle cellule tumorali
La capacità limitata dei microrobot di assistere i farmaci nell’ingresso nelle cellule ne ostacola l’efficacia terapeutica. Per risolvere questo problema, un gruppo di ricerca, riportato su Cyborg and Bionic Systems , ha introdotto la molecola di acido folico (FA) che mira al cancro nei microrobot per promuovere l’assorbimento del farmaco da parte delle cellule tumorali attraverso l’endocitosi mediata dal recettore-ligando. Ciò si traduce in un sistema di somministrazione di farmaci in grado di individuare aree di lesione con campi magnetici e rilasciare farmaci caricati nel citoplasma attraverso l’endocitosi.
I microrobot senza vincoli hanno mostrato risultati notevoli in vari campi come la chirurgia minimamente invasiva, la somministrazione di farmaci , la bonifica ambientale e l’ingegneria dei tessuti. L’attuazione del campo magnetico è un metodo ampiamente utilizzato grazie alla sua buona biosicurezza, alla penetrazione più profonda nei tessuti e all’elevato controllo temporale e spaziale.
Sorgono però problemi pratici quando i microrobot che somministrano farmaci possono essere in grado di somministrarli solo nell’area attorno alle cellule ma non possono aiutarli a entrare nelle cellule. Questa limitazione potrebbe potenzialmente ridurre l’efficacia del trattamento poiché i farmaci potrebbero non raggiungere gli obiettivi previsti all’interno delle cellule.
Per migliorare l’utilizzo efficace dei farmaci, i microrobot dovrebbero essere dotati di precise capacità di targeting. I ricercatori hanno introdotto l’acido folico (FA) in un microrobot per promuovere la capacità specifica di colpire le cellule tumorali e l’ingestione di farmaci da parte delle cellule. La sovraespressione selettiva del FR sulla superficie delle cellule tumorali fornisce all’FA la capacità di promuovere l’assorbimento di farmaci da parte delle cellule tumorali attraverso l’endocitosi mediata dal recettore-ligando.
Il sistema di microrobot magnetico sviluppato è costituito da una microelica ABF biodegradabile basata su gelatina metacriloile (GelMA) e da nanoparticelle Fe@ZIF-8 (MOF) caricate con FA. Farmaci terapeutici come DOX possono essere caricati nella rete di idrogel dei microrobot per la terapia del cancro. Con la manipolazione direzionale di un campo magnetico rotante esterno , il microrobot può essere spostato e fissato nel sito della lesione per garantire che i farmaci terapeutici si raccolgano attorno alle cellule.
Il completo legame di FA sui microrobot e FR sulla superficie delle cellule tumorali può innescare il verificarsi di endocitosi, con conseguente ingresso di MOF(FA) e DOX nelle cellule. L’accumulo di microrobot vicino alle cellule migliora l’interazione tra recettori e ligandi e aumenta l’efficienza terapeutica.
I risultati dei ricercatori hanno mostrato che i microrobot con AF hanno mostrato un’inibizione cellulare più significativa rispetto a quelli senza AF. Pertanto, il sistema di somministrazione di farmaci ABF-MOF(FA) , che combina la manipolazione magnetica e il targeting attivo di FA, ha una promettente prospettiva di applicazione per il trattamento del cancro.
Nei test sulla capacità di incapsulamento del farmaco, la curva di rilascio ha indicato che il microrobot basato su GelMA aveva una certa capacità di incapsulamento e di rilascio del farmaco. La capacità di bersaglio dell’FA è stata dimostrata dal test MTT e dagli esperimenti di colorazione vivo/morto.
Inoltre, il controllo del movimento e gli esperimenti sulle cellule hanno indicato che i microrobot possono essere manipolati con precisione da un campo magnetico ed eseguire compiti specifici. Infine, il folato caricato con DOX mirato ai microrobot magnetici ha prodotto un evidente effetto antitumorale entro 24 ore dopo essere stato diretto nella posizione designata da un campo magnetico.
Il sistema di microrobot magnetici mirati ai folati ha un grande potenziale nel trattamento del cancro grazie alla sua elevata capacità di carico, alla navigazione controllabile e alla capacità di migliorare il targeting e l’inibizione delle cellule tumorali.
