Suministro de fármacos en el acto con microswimmers orgánicos controlados por luz

En su artículo "Light-driven carbon nitride microswimmers with propulsion in biological and ionic media and responsive on-demand drug delivery", un equipo de científicos del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes (MPI-IS) y de su instituto vecino, el Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido (MPI-FKF), demuestran que las micropartículas orgánicas pueden dirigirse a través de fluidos biológicos y sangre disuelta de una forma sin precedentes. Incluso en líquidos muy salados, las microesferas pueden ser impulsadas hacia adelante a gran velocidad por la luz visible, ya sea individualmente o como un enjambre. Además, son parcialmente biocompatibles y pueden tomar y liberar carga a demanda. Las propiedades del material son tan ideales que podrían allanar el camino hacia el diseño de microrobots semiautónomos aplicados a la biomedicina. En el MPI-IS participaron científicos del Departamento de Inteligencia Física dirigidos por Metin Sitti y en el MPI-FKF, científicos del Departamento de Nanoquímica dirigidos por Bettina Lotsch.

El diseño y la fabricación de estos micronadadores tan avanzados parecía imposible hasta ahora. La locomoción por energía luminosa se ve obstaculizada por las sales que se encuentran en el agua o en el cuerpo. Esto requiere un diseño sofisticado que es difícil de ampliar. Además, el control de los robots desde el exterior es complicado y a menudo costoso. La captación controlada de la carga y su entrega in situ es otra disciplina suprema en el campo de la nanorobótica.

Los científicos utilizaron un nitruro de carbono bidimensional poroso (CNx) que puede sintetizarse a partir de materiales orgánicos, por ejemplo, la urea. Al igual que las células solares de un panel fotovoltaico, el nitruro de carbono puede absorber la luz que luego proporciona la energía para impulsar el robot hacia adelante cuando la luz ilumina la superficie de la partícula.

Alta tolerancia a los iones

"El uso de la luz como fuente de energía para la propulsión es muy conveniente cuando se hacen experimentos en una placa de Petri o para aplicaciones directamente bajo la piel", dice Filip Podjaski, jefe de grupo del Departamento de Nanoquímica del MPI-FKF. "Sólo hay un problema: incluso concentraciones minúsculas de sales prohíben el movimiento controlado por la luz. Las sales se encuentran en todos los líquidos biológicos: en la sangre, los fluidos celulares, los fluidos digestivos, etc. Sin embargo, hemos demostrado que nuestros microswimmers CNx funcionan en todos los líquidos biológicos, incluso cuando la concentración de iones salinos es muy alta. Esto sólo es posible gracias a una interacción favorable de diferentes factores: la conversión eficiente de la energía luminosa como fuerza motriz, así como la estructura porosa de las nanopartículas, que permite que los iones fluyan a través de ellas, reduciendo la resistencia creada por la sal, por así decirlo. Además, en este material, la luz favorece la movilidad de los iones, lo que hace que la partícula sea aún más rápida".

Tras demostrar que los nadadores son tolerantes a la sal, el equipo abordó el reto de utilizarlos como portadores de fármacos. "Esto también es posible gracias a la porosidad del material", explica Varun Sridhar. Es investigador postdoctoral en el MPI-IS y primer autor de la publicación. Él y su equipo cargaron los pequeños poros de los nadadores con el fármaco anticanceroso Doxorubicina. "Las partículas adsorbieron el fármaco como una esponja, hasta cantidades sin precedentes del 185% de la masa del portador, permaneciendo unidas de forma estable al nitruro de carbono, incluso durante más de un mes. A continuación, demostramos que la liberación controlada del fármaco es posible en un fluido con un nivel de pH ácido. Además, pudimos iluminar los microswimmers y así liberar el fármaco, independientemente de un cambio de pH. E incluso cuando se cargó al máximo, el nadador no se ralentizó significativamente, lo cual es estupendo".

La capacidad de liberar la carga de fármacos de forma controlada y eficaz en el destino deseado es un reto. Cuando se encuentran condiciones ácidas, como las que se dan en el estómago, el fármaco se desorbe rápidamente en grandes cantidades. Sin embargo, este escenario típico de cambios drásticos de pH no se encuentra en otras partes del cuerpo o en entornos biológicos. De ahí que se necesiten otros desencadenantes externos de la liberación.

"Descubrimos que la iluminación con luz azul, que permite la propulsión, libera simultáneamente el fármaco transportado", explica Podjaski. "Esto no siempre es lo deseado para las aplicaciones dirigidas, ya que la liberación de fármacos se produciría durante todo el trayecto de propulsión de la partícula. Aquí entra en juego la capacidad de carga intrínseca de nuestro nuevo nitruro de carbono: cuando se le ilumina en entornos con poco oxígeno (hipóxicos), el material puede cargarse, acumulando la energía de la luz de forma intrínseca, de forma similar a una batería solar de la que ya hemos informado. En estas condiciones de hipoxia, es decir, cuando la partícula se carga, las interacciones con los fármacos adsorbidos se modifican y la liberación del fármaco se potencia considerablemente, permitiendo una acción eficaz sobre las células. Por lo tanto, la capacidad de carga del material, que está condicionada por las condiciones de hipoxia, se convierte de repente en una propiedad de detección para la liberación".

El equipo comprobó esta interacción en un experimento con células tumorales reales. En su artículo, los científicos muestran cómo iluminaron partículas de nitruro de carbono cargadas de Doxorubicina en las proximidades de las células cancerosas, cómo el fármaco se libera y es tomado por las células, lo que conduce a su descomposición.

"Nuestro trabajo muestra el potencial imprevisto que surge al utilizar como materiales de microrobots materiales conocidos desde hace tiempo, fácilmente sintetizables, abundantes y porosos, que suelen estar diseñados para aplicaciones en fotocatálisis", afirma Metin Sitti.

"La naturaleza de los materiales orgánicos porosos permite intrínsecamente grandes volúmenes interiores y áreas superficiales que dejan mucho espacio para la carga, al tiempo que superan las limitaciones de la propulsión con luz, que de otro modo se encuentran en presencia de iones. Una mayor adaptación de los sitios moleculares podría permitir interacciones más controladas de la carga, sin necesidad de un diseño especial de la forma o el empleo de estructuras de encapsulación, que son difíciles de controlar. Por último, la idea de utilizar cambios de propiedades sensibles al medio ambiente que afecten a las propiedades optoelectrónicas del material, tal y como se desprende de las capacidades intrínsecas de carga fotográfica de nuestro material, parece ser una vía eficaz para diseñar portadores de carga no sólo controlables, sino también de actuación semiautónoma", afirma Bettina Lotsch.

Aunque los micronadadores son una visión de futuro y sólo funcionarán en las condiciones más óptimas, la investigación básica presentada en el estudio podría allanar el camino hacia materiales biocompatibles y controlados por la luz, así como sistemas inteligentes semiautónomos, con aplicaciones también para otras tecnologías. "Esperamos inspirar a muchas mentes inteligentes para que encuentren formas aún mejores de controlar los microrobots y diseñar una función receptiva en beneficio de nuestra sociedad", concluye Sitti.