Türk komandasından xərçəngin müalicəsi üçün bakteriya əsaslı biohibrid mikrorobot kəşfi

15 iyulda Science Advances adlı jurnalda yayımlanan bir tədqiqat elm dünyasında böyük əks-səda doğurdu. Prof. Dr. Metin Sitti-nin rəhbərlik etdiyi Almaniyanın Max Planck İnstitutundan alimlər, E. coli adlı bakteriyadan mikrorobot kimi istifadə etdikləri bir üsulu açıqladılar. Komanda dərman molekullarını daşıyan, 3-ölçülü bioloji materialda hərəkət etmək və istənildikdə daşıdığı yükləri çatdırmaq üçün maqnitlə yönləndirilə bilən, tam hərəkətli biohibrid mikrorobotlar hazırladı. Bu tədqiqat bakterial biohibrid mikrorobotların müxtəlif bioloji matrislər boyunca necə yönləndirilə bildiyini elm dünyasına göstərdi.

Max Planck Institute Intelligent Systems (MPI-IS) The Physical Intelligence bölməsinin rəhbəri Metin Sitti tədqiqatları barədə bunları dedi;

“Tibbi funksiyalarla təchiz edilmiş bakteriya əsaslı biohibrid mikrorobotlar bir gün xərçəngə qarşı daha təsirli mübarizə apara biləcəklər. Bu, bu gün xərçəngi necə müalicə etdiyimizdən çox da uzaq olmayan yeni bir müalicə yanaşmasıdır. Şiş hüceyrələrini axtarmaq və məhv etmək üçün tibbi mikrorobotlardan istifadə oluna bilər. Tədqiqatımız cəmiyyətimizə fayda verməyi hədəfləyən fundamental elmi araşdırmaların əla nümunəsidir.”

Komanda məqaləsində bu nəticəyə gəldi; “Ümumilikdə, burada təqdim olunan bakterial biohibrid dizayn bioloji maneələri aşa bilən və stimullara həssas aktiv dərman buraxılışı həyata keçirə bilən çoxfunksiyalı tibbi mikrorobotlar üçün sistemli və yüksək səmərəli platforma təmin edir.”

Bakteriyalar şiş toxumasının yaxınlığında tez-tez rast gəlinən aşağı oksigen səviyyəsi və ya yüksək turşuluq kimi kimyəvi çətinliklərə davamlıdır və belə şəraitə meyillidir. Yaxınlığına bakteriya yeridilməsi ilə xərçəngin müalicəsi, bakteriya vasitəli şiş müalicəsi kimi tanınır. Mikroorqanizmlər şişin olduğu sahəyə axışır və bu yolda xəstənin immun sistemini aktivləşdirirlər. Əslində bakteriya vasitəli şiş müalicəsi kifayət qədər uzun müddətdir sınaqdan keçirilir, lakin bu yeni tədqiqat həmin araşdırmalara yeni nəfəs gətirdi.

• Əlaqəli mövzu: Miniatür robotlar müasir tibbə yeni anlayış gətirəcək

Süni komponentlərlə (məsələn, mikro/nano daşıyıcılarla) öz-özünə hərəkət edən orqanizmi (məsələn, bakteriya və ya yosunu) birləşdirən biohibrid mikrorobotlar hiss etmə və hədəfləmə mexanizmlərinə malikdir. Mikrorobotların müxtəlif növləri arasında bakteriya ilə işləyən biohibridlər digərlərindən ön plandadır. Buna görə bakterial biohibridlər, xüsusən kontrast maddələr, terapevtik vasitələr və hədəfləmə hissələri kimi çoxsaylı funksional vahidlərlə layihələndirildikdə, tibbi mikrorobot tətbiqləri üçün ideal namizədlərə çevrilir.

Lakin bakteriyaya süni komponentlər əlavə etmək asan iş deyil. Burada mürəkkəb kimyəvi reaksiyalar iştirak edir. Tədqiqatçılar biohibrid mikrorobotları layihələndirmək üçün istifadə olunan üsulların əksəriyyətinin arzuolunmaz təsirlərə malik ola biləcəyini və məsələn, bakteriyaların necə hərəkət etdiyini və ya zülal ekspressiyasını dəyişdirdiyini vurğulayırlar.

Hazırkı tədqiqatı aparan komanda bu işdə əvvəllər bildirilmiş E. coli əsaslı mikrorobotlardan daha yaxşı nəticə göstərən, ilkin hərəkətliliyini qoruyan və bioloji material vasitəsilə yönləndirilmə və şiş sferoidlərini (kürəvari strukturlarını) kolonizasiya etmə qabiliyyəti nümayiş etdirən bakterial biohibridlərin hazırlanmasını bildirdi.

Tədqiqatlarında alimlər bakteriyanı təxminən 90% səmərəliliklə həm lipozomal (yağ molekulu hissəcikləri), həm də maqnit hissəcikləri ilə təchiz edə bildilər. Bunun üçün komanda əvvəlcə hər bir bakteriyaya nanoliposom (NL) bağladı. Nanoliposomlar suda həll olan kimyaterapiya dərmanı doksorubisini (DOX) kapsullaşdırmaq üçün layihələndirilib qurulmuşdu. Yaxın infraqırmızı işıqla işıqlandırıldıqda əriyən tibbi flüoresan boya olan indosianin yaşılı (ICG) nanoliposomların ikiqat fosfolipid qatına yerləşdirildi. Komanda, “…biz yaxın infraqırmızı işığı uda və onu istiliyə çevirə bilən, ikiqat fosfolipid qatına yerləşdirilmiş ICG-yə malik fototermal aktiv lipozomal formulasiya hazırladıq; bu da nəticədə lipid membranda struktur dəyişikliklərini və liposomdaxili məzmunun, yəni kimyaterapiya molekullarının buraxılmasını tətikləyir.” dedi.

Şəkil – 1: Stimullara həssas ICG-DOX NL-lər daşıyan bakterial biohibridlər şiş sferoidlərinə köç edir və NIR stimulu ilə yüklərini buraxırlar. NL-lər işıq enerjisini istiliyə çevirir, bu isə sonradan fosfolipidlərin parçalanmasına səbəb olur və sonda DOX molekullarının buraxılmasını tətikləyir.

• Əlaqəli mövzu: Xərçəngin müalicəsində nanotexnologiya və nanotibb tətbiqləri

Tədqiqatçılar hər bir bakteriyaya maqnit nanohissəcikləri də əlavə etdilər. Maqnit sahəsinə məruz qaldıqda dəmir oksidi hissəcikləri onsuz da olduqca hərəkətli olan bu mikroorqanizm üçün yüksək səviyyəli gücləndirici rolunu oynayır. Bu yolla bakteriyaların axınını idarə etmək daha asandır – bu, in vivo tətbiq üçün təkmilləşdirilmiş dizayndır. Liposomlar və maqnit hissəcikləri bir neçə il əvvəl hazırlanmış və biohibrid mikrorobotların yaradılmasında faydalı olan, qırılması çətin streptavidin və biotin kompleksi vasitəsilə bakteriyaya bağlandı.

Şəkil – 2: Nanoliposomlar (200 nm) və maqnit nanohissəcikləri (100 nm) daşıyan bakterial biohibridlər. Nanoliposomlar kimyaterapevtik DOX və fototermal maddə ICG ilə yüklənir və hər iki daşıyıcı biotin-streptavidin qarşılıqlı təsirləri vasitəsilə 2 ilə 3 µm uzunluğundakı E. coli bakteriyalarına bağlanır.

Komanda bakterial biohibrid mikrorobotlarla təcrübələr apararaq bakteriyaların müxtəlif yollarla kənardan yönləndirilə biləcəyini göstərdi;

• Birincisi, hər iki ucunda hər birində bir şiş sferoidi olan iki bölməsi yerləşən L formalı dar kanal vasitəsilə.
• İkincisi, kiçik qan damarlarına bənzəyən çox daha dar struktur vasitəsilə. Komanda bir tərəfə maqnit əlavə edib dərman yüklü mikrorobotları şiş sferoidlərinə doğru necə dəqiq idarə edə bildiyini göstərdi.
• Üçüncüsü isə komanda bir addım da irəli gedərək mikrorobotları yumşaqdan orta və sərtə qədər dəyişən üç sərtlik və məsaməlilik səviyyəsinə malik sıx kollagen geli (şiş toxumasına bənzər) vasitəsilə yönləndirdi. Kollagen nə qədər sərt olarsa, zülal zəncirləri şəbəkəsi bir o qədər sıx olur və bakteriyaların matris daxilində yol tapması bir o qədər çətinləşir.

Tədqiqatçılar maqnit sahəsi əlavə etdikdə bakteriyaların daha yüksək qüvvəyə malik olduqları üçün gelin o biri ucuna qədər gedə bildiklərini göstərdilər. Sabit istiqamətlənmə sayəsində bakteriyalar liflər arasında yol tapdı.

"Burada bildirilən nəticələr bakterial biohibridlərin sabit maqnit istiqamətləndirilməsi altında məhdud və məsaməli bioloji mikromühitə nüfuz edə və orada hərəkət edə bildiyini göstərdi."

Mikrorobotlar şiş sferoidində toplanmağa yönləndirildikdən sonra 55°C-yə qədər isti ola bilən şüa yaratmaq üçün yaxın infraqırmızı lazer istifadə edildi; bu da liposomun əriməsini və əlavə edilmiş dərmanların buraxılmasını tətiklədi. Aşağı pH səviyyəsi və ya turş mühit də nanoliposomların açılmasına səbəb oldu – buna görə dərmanlar avtomatik olaraq şişin yaxınlığında buraxıldı.

"Burada təqdim olunan biohibrid dizaynla biz bakteriyaların təbii üzmə sürətini və hərəkətliliyini qorumaqla kifayətlənmədik, həm də müxtəlif maqnit sahələri və axın şəraitindən istifadə edərək bakterial biohibridləri aktiv şəkildə yönləndirdik və regional “molekulyar yük” çatdırılması tətbiqləri üçün mühüm xüsusiyyət ola biləcək şiş sferoidlərinin kolonizasiyasını göstərdik.”

MPI-IS The Physical Intellegence bölməsindən tədqiqatın ilk müəllifi Birgül Akolpoglu bunları dedi;

"Xərçəng xəstəsinin bədəninə bu cür bakteriya əsaslı mikrorobotlar yeridəcəyimizi təsəvvür edin. Maqnitlə hissəcikləri dəqiq şəkildə şişə doğru yönləndirə bilərik. Kifayət qədər mikrorobot şişi əhatə etdikdə toxumaya lazer yönəldirik və bununla dərman buraxılmasını tətikləyirik. Bu zaman immun sistemi təkcə oyanması üçün tətiklənmir, əlavə dərmanlar da şişi məhv etməyə kömək edir."

Tədqiqatın həmmüəllif-rəhbərlərindən Yunus Alapan isə bunları dedi:

"Şiş sahəsinə (bakteriya əsaslı mikrorobotlarla) dərman çatdırılması prosesi xəstə üçün minimal invaziv, ağrısız və minimum toksiklikli olacaq; dərmanlar təsirini bütün bədənin daxilində deyil, lazım olduqda (şiş sahəsində) göstərəcək."

Müəlliflər tədqiqatın nəticəsi olaraq bunları dedilər;

“Dizayn strategiyamız,

1. Funksiya qazandırıldıqdan sonra bakterial biohibridlərin hərəkətliliyinin saxlanması
2. Üç-ölçülü matrisə yapışma qabiliyyətləri
3. Stimullara həssas molekulyar yük çatdırılması

ilə birlikdə fövqəladə performans və çoxfunksiyalı bakteriya əsaslı biohibrid mikrorobotlar üçün təkmilləşdirilmiş və optimallaşdırılmış istehsal yolu yaradır. Burada bildirilən biohibrid dizayn E. coli olan əvvəlki biohibrid dizaynlardan daha yüksək hərəkət sürətinə malik, maqnitlə idarə edilən biohibrid mikrorobot sistemi üçün olduqca səmərəli birləşdirmə yolu təklif edir.”