Турецкая команда разработала бактериальные биогибридные микророботы для лечения рака

15 июля в журнале Science Advances было опубликовано исследование, которое привлекло большое внимание научного мира. Профессор доктор Metin Sitti возглавил ученых Института Макса Планка в Германии, которые сообщили о методе использования бактерии E. coli в качестве микроробота. Команда создала полностью подвижные биогибридные микророботы, переносящие молекулы лекарств. Их можно направлять магнитным полем для перемещения в 3-мерном биологическом материале и высвобождения груза по запросу. Это исследование показало научному миру, как бактериальные биогибридные микророботы можно направлять через различные биологические матрицы.

Руководитель отдела физического интеллекта Института интеллектуальных систем Общества Макса Планка (MPI-IS) Metin Sitti сказал о своей работе:

«Биогибридные микророботы на основе бактерий, оснащенные медицинскими функциями, однажды смогут эффективнее бороться с раком. Это новый лечебный подход, не слишком далекий от того, как мы лечим рак сегодня. Медицинские микророботы могут использоваться для поиска и уничтожения опухолевых клеток. Наша работа — прекрасный пример фундаментальных научных исследований, направленных на благо общества».

В своей статье команда пришла к следующему выводу: «В целом представленная здесь конструкция бактериального биогибрида обеспечивает систематическую высокоэффективную платформу для многофункциональных медицинских микророботов, способных преодолевать биологические барьеры и активно высвобождать лекарства в ответ на стимулы».

Бактерии устойчивы к таким химическим условиям, как низкий уровень кислорода или высокая кислотность, часто встречающиеся рядом с опухолевой тканью, и стремятся к ним. Лечение рака путем введения бактерий поблизости известно как бактериально-опосредованная терапия опухолей. Микроорганизмы движутся к области опухоли и по пути активируют иммунную систему пациента. На самом деле бактериально-опосредованную терапию опухолей испытывают уже довольно давно, но новая работа дала этим исследованиям свежий импульс.

• По теме: Миниатюрные роботы принесут новый взгляд на современную медицину

Биогибридные микророботы, объединяющие искусственные компоненты, например микро- или наноносители, с самостоятельно движущимся организмом, например бактерией или водорослью, обладают механизмами восприятия и наведения на цель. Среди разных типов микророботов биогибриды, приводимые в движение бактериями, выделяются на фоне остальных. Поэтому бактериальные биогибриды становятся идеальными кандидатами для применения в медицинской микроробототехнике, особенно если их оснащают несколькими функциональными элементами — контрастными агентами, лечебными средствами и компонентами наведения.

Однако добавить к бактерии искусственные компоненты непросто. Для этого нужны сложные химические реакции. Исследователи подчеркивают, что многие методы создания биогибридных микророботов могут вызывать нежелательные эффекты, например изменять движение бактерий или экспрессию белков.

В этой работе команда сообщила о создании бактериальных биогибридов, которые превосходят ранее описанные микророботы на основе E. coli, сохраняют исходную подвижность и способны направленно перемещаться через биологический материал и колонизировать опухолевые сфероиды — шарообразные структуры.

В своей работе исследователям удалось оснастить бактерии как липосомальными частицами — частицами жировых молекул, — так и магнитными частицами с эффективностью около 90%. Для этого сначала к каждой бактерии прикрепили нанолипосомы (NL). Нанолипосомы были спроектированы и устроены так, чтобы заключать в себе водорастворимый химиопрепарат доксорубицин (DOX). В двойной фосфолипидный слой нанолипосом встроили индоцианин зеленый (ICG) — медицинский флуоресцентный краситель, который плавится при облучении ближним инфракрасным светом. Команда пояснила: «…мы разработали фототермически активную липосомальную композицию с ICG, встроенным в двойной фосфолипидный слой. Она способна поглощать ближний инфракрасный свет и превращать его в тепло, что в конечном счете вызывает структурные изменения липидной мембраны и высвобождение содержимого липосом, то есть молекул химиопрепарата», — сообщили исследователи.

Рисунок — 1: Бактериальные биогибриды с чувствительными к стимулам ICG-DOX NL перемещаются к опухолевым сфероидам и высвобождают груз при NIR-стимуляции. NL преобразуют световую энергию в тепло, которое затем вызывает распад фосфолипидов и в конечном счете запускает высвобождение молекул DOX.

• По теме: Нанотехнологии и наномедицина в лечении рака

Исследователи также добавили к каждой бактерии магнитные наночастицы. Под воздействием магнитного поля частицы оксида железа действуют как мощный усилитель для этого и без того весьма подвижного микроорганизма. Так легче контролировать движение бактерий — это конструкция, усовершенствованная для применения in vivo. Липосомы и магнитные частицы прикрепили к бактериям с помощью прочного комплекса стрептавидина и биотина, разработанного несколькими годами ранее и оказавшегося полезным для создания биогибридных микророботов.

Рисунок — 2: Бактериальные биогибриды с нанолипосомами (200 nm) и магнитными наночастицами (100 nm). Нанолипосомы содержат химиопрепарат DOX и фототермический агент ICG; оба носителя прикрепляются посредством взаимодействия биотина со стрептавидином к бактериям E. coli длиной от 2 до 3 µm.

В экспериментах с бактериальными биогибридными микророботами команда показала, что бактериями можно управлять извне в разных условиях:

• Во-первых, через узкий L-образный канал с камерами на обоих концах, в каждой из которых находился опухолевый сфероид.
• Во-вторых, через гораздо более узкую структуру, напоминающую мелкие кровеносные сосуды. Команда разместила с одной стороны магнит и показала, как можно точно направлять микророботы с лекарственным грузом к опухолевым сфероидам.
• В-третьих, команда пошла дальше и направила микророботы через плотный коллагеновый гель, напоминающий опухолевую ткань, с тремя уровнями жесткости и пористости — мягким, средним и жестким. Чем жестче коллаген, тем плотнее сеть белковых волокон и тем труднее бактериям найти путь через матрицу.

Исследователи показали, что при добавлении магнитного поля бактериям удавалось добраться до другого конца геля благодаря большей силе. Постоянная ориентация помогла им найти путь между волокнами.

«Представленные здесь результаты показали, что бактериальные биогибриды способны проникать в ограниченную пористую биологическую микросреду и перемещаться в ней при постоянной магнитной ориентации».

После того как микророботы направили к накоплению в опухолевом сфероиде, использовали ближний инфракрасный лазер для получения излучения, способного нагревать до 55°C. Это запускало плавление липосом и высвобождение прикрепленных препаратов. Низкий уровень pH, то есть кислая среда, также вызывал раскрытие нанолипосом, поэтому лекарства автоматически высвобождались рядом с опухолью.

«С помощью представленной здесь биогибридной конструкции мы не только сохранили естественную скорость плавания и подвижность бактерий, но и активно направляли бактериальные биогибриды с помощью различных магнитных полей и условий потока, а также продемонстрировали колонизацию опухолевых сфероидов. Это может быть важным свойством для локальной доставки молекулярного груза».

Первый автор исследования из отдела физического интеллекта MPI-IS — исследователь Birgül Akolpoglu — рассказала:

«Представьте, что мы вводим такие бактериальные микророботы в организм онкологического пациента. С помощью магнита мы можем направить частицы точно к опухоли. Когда вокруг нее соберется достаточное число микророботов, мы направляем на ткань лазер и тем самым запускаем высвобождение лекарства. Теперь иммунную систему не просто стимулируют к пробуждению: дополнительные препараты также помогают уничтожать опухоль».

Один из соавторов, разделивших ведущее авторство, Yunus Alapan сказал:

«Такая доставка лекарств в область опухоли с помощью бактериальных микророботов будет для пациента минимально инвазивной, безболезненной и с минимальной токсичностью. Лекарства будут действовать не во всем организме, а там и тогда, где и когда это необходимо, — в области опухоли».

В заключение авторы сообщили:

«Наша стратегия проектирования в сочетании со следующими свойствами:

1. Сохранение подвижности бактериальных биогибридов после придания им дополнительных функций
2. Способность закрепляться в трехмерных матрицах
3. Доставка молекулярного груза в ответ на стимулы

создает усовершенствованный и оптимизированный путь изготовления многофункциональных бактериальных биогибридных микророботов с выдающимися характеристиками. Представленная здесь биогибридная конструкция предлагает высокоэффективный способ сборки биогибридной микророботной системы с магнитным управлением и гораздо большей скоростью движения по сравнению с предыдущими конструкциями биогибридов, содержащих E. coli».