Bubble Bots:microrrobôs biocompatíveis que navegam autonomamente até tumores

Robótica e Automação INSIDER
Os cientistas criaram dois tipos diferentes de bots-bolha. Aqueles ilustrados no topo desta imagem são modificados com nanopartículas magnéticas e direcionados para um alvo tumoral com ímãs externos. Os bots ilustrados na parte inferior possuem diferentes enzimas ligadas à superfície e seguem um gradiente químico para localizar o alvo do tumor de forma independente. (Imagem:Gao Lab/Caltech)
O potencial dos microrrobôs é enorme. Esses objetos em miniatura podem ser projetados para realizar ações dentro do corpo, como detectar biomarcadores, manipular objetos como coágulos sanguíneos ou administrar terapias medicamentosas em locais de tumores. Mas descobrir como tornar os pequenos bots eficazes, biocompatíveis e rentáveis ​​é um desafio. Agora, uma equipe liderada pela Caltech deu um grande passo em direção à criação da próxima geração de microrrobôs para distribuição de medicamentos. Eles simplificaram a estrutura dos microrrobôs e seu método de produção, ao mesmo tempo que tornaram os bots altamente eficazes e “inteligentes” o suficiente para se direcionarem a um tumor.

A equipe de cientistas da Caltech e da USC descreve os bots-bolha e sua aplicação bem-sucedida no tratamento de tumores de bexiga em ratos em um artigo publicado na edição de 2 de fevereiro da revista Nature Nanotechnology. .

A equipe, liderada por Wei Gao, professor de engenharia médica na Caltech e investigador do Heritage Medical Research Institute, usou anteriormente imagens de ultrassom e orientação magnética em um modelo animal para entregar robôs em miniatura impressos em 3D a um tumor onde poderiam se biodegradar e liberar sua carga:drogas que combatem o câncer. Esses microrobôs foram fabricados em uma sala limpa com equipamento especializado e apresentavam uma concha de hidrogel feita de um polímero gelatinoso envolvendo uma microbolha. Essa concha ajudou a impulsionar os bots e forneceu excelente contraste de imagem para permitir que os pesquisadores os monitorassem dentro do corpo.

“Pensamos:e se tornássemos isso ainda mais simples e apenas transformássemos a bolha em um robô?” disse Gao. “Podemos fazer bolhas facilmente e já sabemos que são muito biocompatíveis. E se quiser estourá-las, pode fazê-lo imediatamente.”

A equipe desenvolveu um método para criar bots de bolha simples. Usando uma sonda de ultrassom, eles agitaram uma solução composta de BSA (albumina de soro bovino, uma proteína animal padrão frequentemente usada em experimentos de laboratório) para produzir milhares de microbolhas com invólucros de proteína.

Em seguida, os cientistas aproveitaram outra característica do invólucro da proteína, os abundantes grupos amina disponíveis na superfície. Os grupos amina são uma coleção de átomos com uma ligação carbono-nitrogênio, que pode ser facilmente modificado quimicamente. Ao se ligarem a esses grupos de aminas, os pesquisadores criaram dois tipos de microrobôs com diferentes formas de controlar seus movimentos. E medicamentos anticâncer, como a doxorrubicina, podem se ligar com sucesso à superfície de ambas as versões.

Os cientistas anexaram a enzima urease à superfície de ambas as versões dos bots-bolha. Urease atua como um pequeno motor para movimentar os robôs. A enzima catalisa uma reação com a uréia, um resíduo abundante encontrado em todo o corpo que serve como uma espécie de biocombustível para os robôs, produzindo amônia e dióxido de carbono. Como a urease não é distribuída uniformemente na superfície das bolhas, com o tempo, mais desses produtos se acumularão de um lado do que do outro. Esse desequilíbrio cria um ambiente químico assimétrico ao redor da bolha, gerando um “empurrão” líquido que impulsiona os microrobôs para frente.

Na primeira versão, a equipe anexou nanopartículas magnéticas à superfície dos bots-bolha, tornando-os magneticamente responsivos. Com a ajuda de imagens de ultrassom das microbolhas internas dos bots, os bots-bolha poderiam ser direcionados com ímãs externos para se dirigirem em direção a um alvo dentro do corpo.

Mas os pesquisadores queriam dar um passo adiante. “Queríamos tornar os robôs mais inteligentes”, disse Gao. Sabendo que os tumores e a inflamação produzem altas concentrações de peróxido de hidrogênio em comparação com as células normais, a equipe decidiu ligar uma enzima adicional chamada catalase à superfície de uma segunda versão dos microrrobôs. A catalase conduz uma reação com o peróxido de hidrogênio, criando água e oxigênio. Através do que é conhecido como comportamento quimiotático, as bolhas ligadas à catalase movem-se automaticamente em direção a concentrações mais altas de peróxido de hidrogênio, direcionando-as para os tumores.

"Neste caso, você não precisa de nenhuma imagem; não precisa de nenhum controle externo. O robô é inteligente o suficiente para encontrar o tumor", explica Gao. "O movimento autônomo do robô bolha, juntamente com sua capacidade de detectar o gradiente de peróxido de hidrogênio, leva a esse direcionamento, que chamamos de direcionamento quimiotático ao tumor."

Assim que os robôs-bolha chegam ao seu alvo, os cientistas podem aplicar ultrassom focado para estourar as bolhas, liberando sua carga terapêutica. Essa forte ação de ruptura aumenta a penetração da droga no tumor, em comparação com os robôs de hidrogel de degradação lenta usados ​​anteriormente pela equipe.

Quando os cientistas injetaram robôs-bolha em camundongos para administrar terapêutica antitumoral, eles observaram uma diminuição de aproximadamente 60% no peso dos tumores de bexiga durante um período de 21 dias, em comparação com camundongos que receberam apenas a droga.

"Esta plataforma de robô bolha é simples, mas integra o que você precisa para terapia:biocompatibilidade, movimento controlável, orientação de imagem e um gatilho sob demanda que ajuda a droga a penetrar mais profundamente no tumor. Nosso objetivo sempre foi aproximar os microrobôs do uso clínico real, e esse design robótico é um grande passo nessa direção, "disse o principal autor do artigo, Songsong Tang, que concluiu o trabalho durante seu tempo como pós-doutorado no laboratório de Gao na Caltech.

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