თურქი გუნდის აღმოჩენა: კიბოს სამკურნალო ბაქტერიული ბიოჰიბრიდული მიკრორობოტი

15 ივლისს Science Advances ჟურნალში გამოქვეყნებულმა კვლევამ სამეცნიერო სამყაროში დიდი გამოხმაურება გამოიწვია. პროფ. დოქტორ მეტინ სითის ხელმძღვანელობით გერმანიის მაქს პლანკის ინსტიტუტის მეცნიერებმა E. coli ბაქტერიის მიკრორობოტად გამოყენების მეთოდი წარადგინეს. გუნდმა შექმნა სრულად მოძრავი ბიოჰიბრიდული მიკრორობოტები, რომლებიც წამლის მოლეკულებს ატარებენ, 3-განზომილებიან ბიოლოგიურ მასალაში გადაადგილდებიან და ტვირთის საჭირო დროს მისაწოდებლად მაგნიტურად იმართებიან. ამ კვლევამ სამეცნიერო სამყაროს აჩვენა, როგორ შეიძლება ბაქტერიული ბიოჰიბრიდული მიკრორობოტების მართვა სხვადასხვა ბიოლოგიურ მატრიქსში.

Max Planck Institute Intelligent Systems (MPI-IS) The Physical Intelligence განყოფილების ხელმძღვანელმა მეტინ სითიმ თავიანთი კვლევის შესახებ განაცხადა:

„სამედიცინო ფუნქციებით აღჭურვილმა ბაქტერიებზე დაფუძნებულმა ბიოჰიბრიდულმა მიკრორობოტებმა ერთ დღეს შესაძლოა კიბოს უფრო ეფექტიანად ებრძოლონ. ეს მკურნალობის ახალი მიდგომაა, რომელიც არც ისე შორს დგას იმისგან, თუ როგორ ვმკურნალობთ კიბოს დღეს. სამედიცინო მიკრორობოტების გამოყენება სიმსივნური უჯრედების მოსაძებნად და გასანადგურებლად შეიძლება. ჩვენი ნაშრომი ფუნდამენტური სამეცნიერო კვლევის შესანიშნავი მაგალითია, რომლის მიზანიც საზოგადოების სარგებელია.“

თავიანთ სტატიაში გუნდმა ასეთი დასკვნა გამოიტანა: „საერთო ჯამში, აქ წარმოდგენილი ბაქტერიული ბიოჰიბრიდული კონსტრუქცია მრავალფუნქციური სამედიცინო მიკრორობოტებისთვის სისტემურ და მაღალეფექტიან პლატფორმას ქმნის. მათ ბიოლოგიური ბარიერების გადალახვა და სტიმულებზე საპასუხოდ წამლის აქტიური გამოთავისუფლება შეუძლიათ.“

ბაქტერიები გამძლეა ქიმიური გამოწვევების მიმართ და მიილტვის ისეთი პირობებისკენ, როგორიცაა ჟანგბადის დაბალი დონე ან მაღალი მჟავიანობა, რაც სიმსივნურ ქსოვილთან ახლოს ხშირად გვხვდება. კიბოს მკურნალობა მის სიახლოვეს ბაქტერიების შეყვანით ბაქტერიების შუამავლობით სიმსივნის თერაპიის სახელითაა ცნობილი. მიკროორგანიზმები სიმსივნის უბნისკენ მიემართებიან და ამ გზით პაციენტის იმუნურ სისტემას ააქტიურებენ. სინამდვილეში ბაქტერიების შუამავლობით სიმსივნის თერაპიას საკმაოდ დიდი ხანია ცდიან, თუმცა ამ ახალმა კვლევამ ამ სფეროს ახალი სუნთქვა შესძინა.

• დაკავშირებული თემა: მინიატურული რობოტები თანამედროვე მედიცინაში ახალ მიდგომას დანერგავენ

ბიოჰიბრიდულ მიკრორობოტებს, რომლებიც ხელოვნურ კომპონენტებს (მაგალითად, მიკრო/ნანომატარებლებს) თვითმოძრავ ორგანიზმთან (მაგალითად, ბაქტერიასთან ან წყალმცენარესთან) აერთიანებენ, აღქმისა და მიზანმიმართვის მექანიზმები აქვთ. მიკრორობოტების სხვადასხვა ტიპს შორის ბაქტერიებით მოძრავი ბიოჰიბრიდები სხვებზე წინ დგანან. ამიტომ ბაქტერიული ბიოჰიბრიდები სამედიცინო მიკრორობოტების გამოყენების იდეალურ კანდიდატებად იქცევა, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც ისინი მრავალი ფუნქციური ერთეულითაა დაპროექტებული, მაგალითად, კონტრასტული ნივთიერებებით, სამკურნალო საშუალებებითა და დამიზნების კომპონენტებით.

თუმცა ბაქტერიაზე ხელოვნური კომპონენტების დამატება ადვილი არ არის. ამას რთული ქიმიური რეაქციები სჭირდება. მკვლევრები ხაზს უსვამენ, რომ ბიოჰიბრიდული მიკრორობოტების შესაქმნელად გამოყენებული მრავალი მეთოდი შესაძლოა არასასურველ ეფექტებს იწვევდეს, მაგალითად, ბაქტერიების მოძრაობას ან ცილების ექსპრესიას ცვლიდეს.

ამ კვლევის ავტორმა გუნდმა აღწერა ბაქტერიული ბიოჰიბრიდების შექმნა, რომლებიც ადრე აღწერილ E. coli ბაქტერიაზე დაფუძნებულ მიკრორობოტებს შედეგებით აღემატება, თავდაპირველ მოძრაობის უნარს ინარჩუნებს და ბიოლოგიურ მასალაში მართვისა და სიმსივნური სფეროიდების (სფეროსებრი სტრუქტურების) კოლონიზაციის შესაძლებლობას აჩვენებს.

კვლევაში მეცნიერებმა ბაქტერიები როგორც ლიპოსომური (ცხიმის მოლეკულების ნაწილაკებით), ისე მაგნიტური ნაწილაკებით დაახლოებით 90% ეფექტიანობით აღჭურვეს. ამისთვის გუნდმა თავდაპირველად თითოეულ ბაქტერიას ნანოლიპოსომა (NL) მიამაგრა. ნანოლიპოსომები დაპროექტდა და კონსტრუირდა წყალში ხსნადი ქიმიოთერაპიული პრეპარატის, დოქსორუბიცინის (DOX), ჩასაკაფსულებლად. ნანოლიპოსომების ფოსფოლიპიდურ ორშრიან გარსში ჩაშენდა ინდოციანინის მწვანე (ICG), სამედიცინო ფლუორესცენტული საღებავი, რომელიც ახლო ინფრაწითელი სინათლით განათებისას დნება. გუნდმა განაცხადა: „…ჩვენ შევქმენით ფოტოთერმულად აქტიური ლიპოსომური ფორმულაცია, რომლის ფოსფოლიპიდურ ორშრიან გარსში ჩაშენებული ICG ახლო ინფრაწითელ სინათლეს შთანთქავს და სითბოდ გარდაქმნის. საბოლოოდ ეს ლიპიდური მემბრანის სტრუქტურულ ცვლილებებსა და ლიპოსომის შიგთავსის, ანუ ქიმიოთერაპიის მოლეკულების, გამოთავისუფლებას იწვევს.“ ასე განმარტეს მკვლევრებმა.

სურათი – 1: სტიმულებზე მგრძნობიარე ICG-DOX NL-ების მატარებელი ბაქტერიული ბიოჰიბრიდები სიმსივნურ სფეროიდებში მიგრირებენ და NIR სტიმულაციისას ტვირთს ათავისუფლებენ. NL-ები სინათლის ენერგიას სითბოდ გარდაქმნიან, რაც შემდგომ ფოსფოლიპიდების დაშლას და საბოლოოდ DOX-ის მოლეკულების გამოთავისუფლებას იწვევს.

• დაკავშირებული თემა: ნანოტექნოლოგიისა და ნანომედიცინის გამოყენება კიბოს მკურნალობაში

მკვლევრებმა თითოეულ ბაქტერიას მაგნიტური ნანონაწილაკებიც დაუმატეს. მაგნიტური ველის ზემოქმედებისას რკინის ოქსიდის ნაწილაკები ამ ისედაც ძალზე მოძრავი მიკროორგანიზმისთვის ძლიერი გამაძლიერებლის როლს ასრულებს. ამგვარად ბაქტერიების ნაკადის მართვა უფრო ადვილია – ეს in vivo გამოყენებისთვის გაუმჯობესებული კონსტრუქციაა. ლიპოსომები და მაგნიტური ნაწილაკები ბაქტერიას სტრეპტავიდინისა და ბიოტინის ძნელად დაშლადი კომპლექსით მიამაგრეს. ეს კომპლექსი რამდენიმე წლის წინ შეიქმნა და ბიოჰიბრიდული მიკრორობოტების კონსტრუირებისთვის სასარგებლოა.

სურათი – 2: ბაქტერიული ბიოჰიბრიდები, რომლებიც ნანოლიპოსომებს (200 nm) და მაგნიტურ ნანონაწილაკებს (100 nm) ატარებენ. ნანოლიპოსომები დატვირთულია ქიმიოთერაპიული DOX-ითა და ფოტოთერმული აგენტით ICG-ით; ორივე მატარებელი ბიოტინ-სტრეპტავიდინის ურთიერთქმედებით 2-დან 3 µm-მდე სიგრძის E. coli ბაქტერიებს უმაგრდება.

ბაქტერიულ ბიოჰიბრიდულ მიკრორობოტებზე ჩატარებული ექსპერიმენტებით გუნდმა აჩვენა, რომ ბაქტერიების გარედან მართვა სხვადასხვა გზით შეიძლება:

• პირველ რიგში, ვიწრო L-ფორმის არხით, რომლის ორივე ბოლოში ორი კამერა იყო და თითოეულში სიმსივნური სფეროიდი მოთავსდა.
• მეორე შემთხვევაში, გაცილებით ვიწრო სტრუქტურით, რომელიც მცირე სისხლძარღვებს ჰგავს. გუნდმა ერთ მხარეს მაგნიტი მოათავსა და აჩვენა, როგორ შეიძლება წამლით დატვირთული მიკრორობოტების სიმსივნური სფეროიდებისკენ ზუსტად მართვა.
• მესამე შემთხვევაში გუნდმა კიდევ ერთი ნაბიჯი გადადგა და მიკრორობოტები სიმკვრივისა და ფორიანობის სამი დონის მქონე მკვრივ კოლაგენის გელში (სიმსივნური ქსოვილის მსგავს მასალაში) გაატარა; დონეები რბილიდან საშუალოსა და მყარამდე იცვლებოდა. რაც უფრო მყარია კოლაგენი, მით უფრო მჭიდროა ცილოვანი ძაფების ქსელი და მით უფრო უჭირთ ბაქტერიებს მატრიქსში გზის პოვნა.

მკვლევრებმა აჩვენეს, რომ მაგნიტური ველის დამატებისას ბაქტერიებს მეტი ძალა ჰქონდათ და გელის მეორე ბოლომდე მისვლა შეძლეს. მუდმივი გასწორების წყალობით ბაქტერიებმა ბოჭკოებს შორის გზა იპოვეს.

„აქ წარმოდგენილმა შედეგებმა აჩვენა, რომ მუდმივი მაგნიტური გასწორების პირობებში ბაქტერიულ ბიოჰიბრიდებს შეზღუდულ და ფოროვან ბიოლოგიურ მიკროგარემოში შეღწევა და გადაადგილება შეუძლიათ.“

მას შემდეგ, რაც მიკრორობოტები სიმსივნურ სფეროიდში დაგროვებისკენ მიმართეს, გამოიყენეს ახლო ინფრაწითელი ლაზერი სხივის წარმოსაქმნელად, რომელსაც 55°C-მდე ტემპერატურის მიღწევა შეეძლო. ამან ლიპოსომის დნობა და მასზე დამატებული წამლების გამოთავისუფლება გამოიწვია. ნანოლიპოსომების გახსნას დაბალი pH ან მჟავე გარემოც იწვევდა – ამიტომ წამლები ავტომატურად სიმსივნის სიახლოვეს თავისუფლდებოდა.

„აქ წარმოდგენილი ბიოჰიბრიდული კონსტრუქციით არა მხოლოდ ბაქტერიების ცურვის ბუნებრივი სიჩქარე და მოძრაობის უნარი შევინარჩუნეთ, არამედ სხვადასხვა მაგნიტური ველისა და ნაკადის პირობების გამოყენებით ბაქტერიულ ბიოჰიბრიდებს აქტიურად ვმართავდით და სიმსივნური სფეროიდების კოლონიზაცია ვაჩვენეთ. ეს შეიძლება მნიშვნელოვანი თვისება იყოს რეგიონული „მოლეკულური ტვირთის“ მიწოდების გამოყენებებისთვის.“

MPI-IS The Physical Intellegence განყოფილებიდან კვლევის პირველმა ავტორმა Birgül Akolpoglu განაცხადა:

„წარმოიდგინეთ, რომ კიბოს მქონე პაციენტის სხეულში ამგვარ ბაქტერიებზე დაფუძნებულ მიკრორობოტებს შევიყვანთ. მაგნიტით ნაწილაკებს ზუსტად სიმსივნისკენ მივმართავთ. როდესაც სიმსივნის გარშემო საკმარისი მიკრორობოტი დაგროვდება, ქსოვილს ლაზერს მივანათებთ და ამით წამლის გამოთავისუფლებას გამოვიწვევთ. ამ დროს იმუნური სისტემა მხოლოდ გასაღვიძებლად კი არ სტიმულირდება, არამედ სიმსივნის განადგურებას დამატებითი წამლებიც ეხმარება.“

კვლევის ერთ-ერთმა თანაწამყვანმა ავტორმა Yunus Alapan კი აღნიშნა:

„სიმსივნის უბანში (ბაქტერიულ მიკრორობოტებთან ერთად) წამლის მიტანის ეს პროცესი პაციენტისთვის მინიმალურად ინვაზიური, უმტკივნეულო და მინიმალური ტოქსიკურობის მქონე იქნება. წამლები ეფექტს მთელ სხეულში კი არ გამოავლენს, არამედ საჭიროებისას, სიმსივნის უბანში.“

კვლევის დასკვნის სახით ავტორებმა განაცხადეს:

„ჩვენი კონსტრუირების სტრატეგია,

1. ფუნქციებით აღჭურვის შემდეგ ბაქტერიული ბიოჰიბრიდების მოძრაობის უნარის შენარჩუნებასთან,
2. სამგანზომილებიან მატრიქსში მიმაგრების უნართან
3. სტიმულებზე მგრძნობიარე მოლეკულური ტვირთის მიწოდებასთან

ერთად, მრავალფუნქციური ბაქტერიული ბიოჰიბრიდული მიკრორობოტებისთვის განსაკუთრებული წარმადობის მქონე, გაუმჯობესებულ და ოპტიმიზებულ წარმოების გზას ქმნის. აქ აღწერილი ბიოჰიბრიდული კონსტრუქცია მაგნიტურად მართვადი ბიოჰიბრიდული მიკრორობოტული სისტემის ასაწყობად ძალზე ეფექტიან გზას გვთავაზობს. მას E. coli-ს შემცველ ადრინდელ ბიოჰიბრიდულ კონსტრუქციებთან შედარებით მოძრაობის გაცილებით მაღალი სიჩქარე აქვს.“