Los microrobots biohíbridos basados en bacterias podrían combatir algún día el cáncer
Los investigadores dotan a las bacterias de componentes artificiales para controlarlas mejor y conseguir un efecto terapéutico adicional en la destrucción de células tumorales
En un proyecto de investigación, un equipo de científicos que trabaja en la interfaz de la robótica y la biología equipó a la bacteria E. coli con componentes artificiales para construir microrobots biohíbridos. En primer lugar, el equipo del Departamento de Inteligencia Física del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes de Stuttgart fijó varios nanoliposomas esféricos a cada bacteria. En su anillo exterior, estos componentes de transporte encierran un material (ICG, partículas de color verde) que hace que el nanoliposoma se funda al ser iluminado con luz infrarroja cercana. Encapsularon moléculas de fármacos quimioterapéuticos solubles en agua (DOX) en el núcleo.
El segundo componente que los investigadores adhirieron a las bacterias son nanopartículas magnéticas. Cuando las bacterias, muy móviles y ágiles, se exponen a un campo magnético, las diminutas partículas de óxido de hierro actúan como un motor adicional. Además, la natación de las bacterias puede controlarse más fácilmente, lo que supone una mejora en el diseño en caso de que algún día estos microrobots sean guiados a través de un cuerpo.
Los filamentos que unen los liposomas y las partículas magnéticas a la bacteria están formados por un complejo de estreptavidina-biotina. Esto se desarrolló hace unos años y ahora ha sido de gran utilidad en la construcción de los microrobots biohíbridos, ya que la unión es muy estable y difícil de romper.
Las bacterias son nadadores rápidos y versátiles que pueden maniobrar a través de una gran variedad de materiales, desde líquidos hasta tejidos muy viscosos. Pero eso no es todo: también tienen sensores muy finos. Las bacterias se sienten atraídas por los niveles bajos de oxígeno o la alta acidez, que se dan alrededor del tejido tumoral. Los científicos llaman al tratamiento del cáncer mediante la inyección de bacterias en las inmediaciones del tejido alterado terapia tumoral mediada por bacterias. Cuando se inyectan en una vena, los microorganismos fluyen hacia el tumor y lo colonizan. Esto desencadena una reacción inmunitaria en el paciente; ahora el sistema inmunitario se dirige contra el cáncer. El enfoque terapéutico de combatir el cáncer con bacterias tiene más de 100 años.
En las últimas décadas, los científicos han buscado formas de aumentar los superpoderes de estos microorganismos. Han dotado a las bacterias de componentes adicionales para ayudarlas en su lucha. Sin embargo, añadir bloques de construcción artificiales no es una tarea fácil. Hay reacciones químicas complejas y la densidad importa: ¿qué porcentaje de una solución bacteriana está cargado de partículas? Una mezcla que sólo es fina no tiene mucho efecto. El equipo de Stuttgart ha puesto el listón muy alto. Consiguieron dotar a 86 de cada 100 bacterias tanto de liposomas como de partículas magnéticas.
En un artículo de investigación, los científicos mostraron cómo lograron dirigir una solución tan altamente condensada a través de varios cursos desde el exterior. En primer lugar, los microrobots atravesaron un canal estrecho en forma de L con dos protuberancias en cada extremo, cada una de las cuales contenía un esferoide tumoral (un grupo de células tumorales). A continuación, los científicos guiaron a los microrobots a través de vías aún más estrechas que se asemejan a diminutos vasos sanguíneos. También colocaron un imán en uno de los lados y mostraron cómo podían dirigir con precisión los microrobots cargados de fármacos hacia los esferoides tumorales. En tercer lugar, yendo un paso más allá, el equipo dirigió los microrobots a través de tres variantes de un gel de colágeno viscoso (que se asemeja al tejido tumoral): La dureza varía de blanda a media y a dura. Cuanto más rígido era el colágeno y más densa la red de hebras de proteínas, más difícil era para las bacterias encontrar un camino a través de la matriz de malla estrecha (Figura 2). Sin embargo, el equipo pudo demostrar que las bacterias rodeadas por un campo magnético son capaces de alcanzar el otro extremo del gel. Gracias al entorno magnético, las bacterias cargadas de nanopartículas magnéticas reciben un empuje extra. Con una orientación constante del campo magnético, las bacterias se abrieron paso a través de las fibras.
Una vez que los microrobots se han acumulado en el lugar deseado (el tejido tumoral), un láser de infrarrojo cercano genera haces de hasta 55 grados Celsius. El calor desencadena un proceso de fusión del liposoma y una liberación de los fármacos encerrados. Un pH bajo o un entorno ácido también hacen que los nanoliposomas se rompan. Así, los fármacos se liberan automáticamente cerca de un tumor.
"Imagínese que inyectamos estos microrobots basados en bacterias en el cuerpo de un paciente con cáncer. Con un imán, podríamos dirigir las partículas con precisión hacia el tumor. Una vez que un número suficiente de microrrobots rodea el tumor, apuntamos un láser al tejido, lo que desencadena la liberación del fármaco. No sólo se activa el sistema inmunitario; además, los fármacos ayudan a destruir el tumor", afirma Birgül Akolpoglu, estudiante de doctorado del Departamento de Inteligencia Física del MPI de Sistemas Inteligentes. Es la primera autora de la publicación titulada "Magnetically steerable bacterial microrobots moving in 3D biological matrices for stimuli-responsive cargo delivery", que fue supervisada por el antiguo investigador postdoctoral del Departamento de Inteligencia Física, el Dr. Yunus Alapan. El estudio se publicó en Science Advances el 15 de julio de 2022.
"Esta administración de fármacos in situ sería mínimamente invasiva para el paciente, indolora, no tóxica y los fármacos ejercerían sus efectos donde se necesitan en lugar de en todo el cuerpo", añade Alapan.
"Los microrobots biohíbridos basados en bacterias con funciones médicas podrían algún día combatir eficazmente el cáncer. Se trata de un nuevo enfoque terapéutico que quizá no esté muy lejos en el futuro", afirma el Prof. Dr. Metin Sitti, que dirige el departamento y es el autor final del estudio. "El impacto de los microrobots médicos en la búsqueda y destrucción de células tumorales podría ser importante. Nuestro trabajo es un gran ejemplo de investigación básica que beneficia a la sociedad".
Akolpoglu et al., Sci. Adv. 8, eabo6163 (2022)
Akolpoglu et al., Sci. Adv. 8, eabo6163 (2022)
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Alemán se puede encontrar aquí.
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