Биогибриды против рака
Группа исследователей из Института интеллектуальных систем Макса Планка модифицировала бактерии кишечной палочки (E.coli), оснастив искусственными компонентами, для создания биогибридных микророботов. Сначала исследователи на каждую бактерию поместили несколько нанолипосом, выполняющих функцию контейнера для терапевтического груза. В центры нанолипосом поместили водорастворимые молекулы химиотерапевтического лекарственного средства доксорубицина (DOX). По окружности расположили фототермический агент индоцианин зеленый (ICG), который плавится при световом облучении ближним инфракрасным спектром и разрушает мембрану липосомы, высвобождая доксорубицин.
Второй компонент, которым исследователи оснастили бактерии, – это наночастицы оксида железа. При воздействии магнитного поля они направляют бактерии к мишени. Липосомы и магнитные наночастицы крепятся к бактериям с помощью стабильного и прочного комплекса стрептавидина и биотина, который был разработан группой несколькими годами ранее.
Бактериальные биогибридные микророботы после добавления «грузов» сохранили свою первоначальную скорость передвижения, составляющую в среднем 18,5 мкм/с, а их навигация стала возможна с помощью внешнего магнитного поля.
Бактерии E.coli – быстрые и универсальные пловцы, способные перемещаться в самых разных средах, от жидкостей до высоковязких тканей. Кроме того, они притягиваются к химическим градиентам, таким как низкий уровень кислорода или высокая кислотность – и то, и другое характерно для опухолевого микроокружения.
Лечение рака путем введения бактерий в непосредственной близости известно как бактериально-опосредованная терапия опухолей: микроорганизмы накапливаются вокруг опухоли, растут там и таким образом активируют иммунную систему пациента. Бактериально-опосредованная терапия опухолей используется уже более ста лет.
В течение последних нескольких десятилетий ученые искали способы усилить способности микроорганизмов для лечения опухолей, в том числе помещая на бактерии дополнительные компоненты. Однако при добавлении искусственных компонентов происходят сложные химические реакции, и плотность частиц, попадающих на бактерии, значительно снижается. Группе из Института Макса Планка удалось снабдить 86% бактерий как липосомами, так и магнитными частицами.
Исследователи продемонстрировали управляемость биогибридов в жидкой среде, проведя их с помощью внешнего магнита сначала через Г-образный узкий канал с опухолевыми сфероидами в каждом конце, а затем через еще более узкую структуру, напоминающую мелкие кровеносные сосуды. Они добавили дополнительный постоянный магнит с одной стороны и показали, как можно точно управлять микророботами, загруженными лекарствами, в направлении опухолевых сфероидов. Исследователи также провели микророботов через вязкий коллагеновый гель, по консистенции похожий на опухолевую ткань, с тремя уровнями жесткости и пористости: от мягкого до среднего и жесткого. Чем жестче коллаген, чем плотнее сеть белковых нитей, тем труднее бактериям найти путь через матрикс. Группа показала, что при помощи магнитного поля бактериям удается пройти весь путь через волокна.
Как только микророботы накапливаются в нужной точке (сфероид опухоли), лазер генерирует лучи ближнего инфракрасного диапазона с температурой до 55 градусов Цельсия, запуская процесс плавления липосом и высвобождения содержащихся в них лекарств. Кислая среда также приводит к разрыву нанолипосом – следовательно, лекарства высвобождаются вблизи опухоли автоматически.
Таким образом, биогибридные микророботы, накапливаясь около опухоли, не только активируют иммунную систему, но и высвобождают химиотерапевтический препарат. Такая минимально инвазивная и прицельная доставка может стать безболезненной, низкотоксичной и эффективной стратегией лечения онкологических заболеваний.
Статья M.B.Akolpoglu et al. Magnetically steerable bacterial microrobots moving in 3D biological matrices for stimuli-responsive cargo delivery опубликована в журнале Science Advances.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Max Planck Institute for Intelligent Systems: Bacteria-based biohybrid microrobots on a mission to one day battle cancer.