Des microrobots biohybrides à base de bactéries pourraient un jour combattre le cancer
Les chercheurs dotent les bactéries de composants artificiels afin de mieux les contrôler et d'obtenir un effet thérapeutique supplémentaire dans la destruction des cellules tumorales.
Une équipe de scientifiques* menant des recherches à l'interface de la robotique et de la biologie a équipé des bactéries E. coli de composants artificiels dans le cadre d'un travail de recherche, afin de construire des microrobots biohybrides. Dans un premier temps, l'équipe du département d'intelligence physique de l'Institut Max Planck des systèmes intelligents de Stuttgart a fixé plusieurs nanoliposomes sphériques sur chaque bactérie. Dans leur anneau extérieur, ces composants de transport entourent un matériau (ICG, particules vertes) qui fait fondre le nanoliposome lorsqu'il est éclairé par une lumière proche de l'infrarouge. Dans le noyau, ils ont encapsulé des molécules d'agents chimiothérapeutiques hydrosolubles (DOX).
Le deuxième composant que les chercheurs* ont fixé à la bactérie sont des nanoparticules magnétiques. Lorsque les bactéries très mobiles et agiles sont exposées à un champ magnétique, les minuscules particules d'oxyde de fer agissent comme un moteur supplémentaire. De plus, il est plus facile de contrôler la nage des bactéries - un design amélioré si de tels microrobots devaient un jour être guidés à travers un corps.
Les filaments qui lient les liposomes et les particules magnétiques à la bactérie sont constitués d'un complexe streptavidine-biotine. Celui-ci a été développé il y a quelques années et s'est avéré très utile pour la construction des microrobots biohybrides, car la liaison est très stable et difficile à rompre.
Les bactéries sont des nageurs rapides et polyvalents, capables de manœuvrer à travers les matériaux les plus divers, des liquides aux tissus les plus visqueux. Mais ce n'est pas tout : elles disposent également de capteurs très fins. Les bactéries sont attirées par un faible taux d'oxygène ou un taux d'acidité élevé - les deux se retrouvent autour des tissus tumoraux. Les scientifiques* appellent le traitement du cancer par l'injection de bactéries à proximité immédiate du tissu modifié une thérapie tumorale à médiation bactérienne. Injectés dans une veine, les micro-organismes affluent vers la tumeur et la colonisent. Cela déclenche une réaction immunitaire chez le patient ; désormais, le système immunitaire se retourne contre le cancer. L'approche thérapeutique consistant à lutter contre le cancer à l'aide de bactéries remonte à plus d'un siècle.
Au cours des dernières décennies, les scientifiques* ont cherché des moyens d'augmenter encore les superpouvoirs de ces micro-organismes. Ils ont doté les bactéries de composants supplémentaires afin de les aider dans leur combat. L'ajout de composants artificiels n'est toutefois pas une mince affaire. Des réactions chimiques complexes sont en jeu et la densité est importante : quel pourcentage d'une solution bactérienne est chargé de particules ? Un mélange peu dense n'a pas beaucoup d'effet. L'équipe de Stuttgart a placé la barre assez haut. Ils ont réussi à doter 86 bactéries sur 100 à la fois de liposomes et de particules magnétiques.
Les scientifiques* ont montré dans un travail de recherche comment ils ont réussi à piloter de l'extérieur une solution aussi fortement comprimée à travers différents parcours. Tout d'abord, les microrobots ont traversé un canal étroit en forme de L avec deux renflements à chaque extrémité, dans chacun desquels se trouvait un sphéroïde tumoral (un amas de cellules tumorales). Les scientifiques ont ensuite guidé les microrobots à travers des canaux encore plus étroits, qui ressemblent à de minuscules vaisseaux sanguins. Ils ont également placé un aimant sur un côté et ont montré comment ils pouvaient diriger avec précision les microrobots chargés de médicaments vers les sphéroïdes tumoraux. Troisièmement - en allant encore plus loin - l'équipe a guidé les microrobots à travers trois variantes d'un gel de collagène visqueux (qui ressemble au tissu tumoral) : La viscosité variait de molle à moyennement ferme et rigide. Plus le collagène était rigide et plus le réseau de brins de protéines était dense, plus il était difficile pour les bactéries de trouver un chemin à travers la matrice aux mailles serrées (figure 2). L'équipe a toutefois pu montrer que les bactéries entourées d'un champ magnétique sont capables d'aller jusqu'à l'autre extrémité du gel. Grâce à l'environnement magnétique, les bactéries chargées de nanoparticules magnétiques reçoivent une poussée supplémentaire. Lorsque le champ magnétique est orienté de manière constante, les bactéries se frayent un chemin à travers les fibres.
Dès que les microrobots se sont accumulés à l'endroit souhaité (le tissu tumoral), un laser proche infrarouge génère des rayons allant jusqu'à 55 degrés Celsius. La chaleur déclenche un processus de fusion du liposome et une libération des médicaments emprisonnés. Un pH bas ou un environnement acide provoquent également la rupture des nanoliposomes. Ainsi, les médicaments sont automatiquement libérés à proximité d'une tumeur.
"Imaginons que nous injections de tels microrobots à base de bactéries dans le corps d'un patient cancéreux. Grâce à un aimant, nous pourrions diriger les particules précisément vers la tumeur. Dès qu'un nombre suffisant de microrobots entourent la tumeur, nous dirigeons un laser sur le tissu et déclenchons ainsi la libération du médicament. Non seulement le système immunitaire est activé, mais les médicaments aident également à détruire la tumeur", explique Birgül Akolpoglu, doctorante au département d'intelligence physique du MPI pour les systèmes intelligents. Elle est la première auteure de la publication intitulée "Magnetically steerable bacterial microrobots moving in 3D biological matrices for stimuli-responsive cargo delivery", réalisée sous la direction de l'ancien postdoctorant du département d'intelligence physique, le Dr Yunus Alapan. L'étude a été publiée le 15 juillet 2022 dans Science Advances.
"Cette délivrance de médicaments sur place serait peu invasive pour le patient, indolore, non toxique et les médicaments exerceraient leur action là où ils sont nécessaires au lieu de se répandre dans tout le corps", ajoute Alapan.
"Des microrobots biohybrides à base de bactéries et dotés de fonctions médicales pourraient un jour lutter efficacement contre le cancer. Il s'agit d'une nouvelle approche thérapeutique qui n'est peut-être pas si lointaine", déclare le professeur Metin Sitti, qui dirige le département et est le dernier auteur de l'étude. "L'impact des microrobots médicaux dans la recherche et la destruction des cellules tumorales pourrait être considérable. Notre travail est un formidable exemple de recherche fondamentale qui profite à la société".
Akolpoglu et al., Sci. Adv. 8, eabo6163 (2022)
Akolpoglu et al., Sci. Adv. 8, eabo6163 (2022)
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
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