Las nanopartículas hacen un fantástico viaje magnético.

Los ingenieros de MIT han diseñado pequeños robots que pueden ayudar a las nanopartículas de administración de fármacos a salir del torrente sanguíneo y llegar a un tumor u otro sitio de enfermedad. Como las artesanías en "Fantastic Voyage", una película de ciencia ficción de la década de 1960 en la que un equipo de submarinos se reduce de tamaño y recorre un cuerpo para reparar células dañadas: los robots nadan a través del torrente sanguíneo, creando una corriente que arrastra las nanopartículas junto con ellos.

Los microrobots magnéticos, inspirados en la propulsión bacteriana, podrían ayudar a superar uno de los mayores obstáculos para administrar medicamentos con nanopartículas: hacer que las partículas salgan de los vasos sanguíneos y se acumulen en el lugar correcto.

"Cuando se colocan nanomateriales en el torrente sanguíneo y se los dirige al tejido enfermo, la barrera más grande para que ese tipo de carga útil se introduzca en el tejido es el revestimiento del vaso sanguíneo", dice Sangeeta Bhatia, la profesora de ciencias de la salud de John y Dorothy Wilson. Tecnología e Ingeniería Eléctrica e Informática, miembro del Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer del MIT y su Instituto de Ingeniería Médica y Ciencia, y el autor principal del estudio.

"Nuestra idea fue ver si se puede usar el magnetismo para crear fuerzas fluidas que empujan las nanopartículas al tejido", agrega Simone Schuerle, ex postdoctoral del MIT y autor principal del artículo, que aparece en la edición del 26 de abril de Avances científicos.

En el mismo estudio, los investigadores también demostraron que podrían lograr un efecto similar utilizando enjambres de bacterias vivas que son naturalmente magnéticas. Según los investigadores, cada uno de estos enfoques podría ser adecuado para diferentes tipos de administración de medicamentos.

Robots minúsculos

Schuerle, quien ahora es profesor asistente en el Instituto Federal de Tecnología de Suiza (ETH Zurich), comenzó a trabajar en pequeños robots magnéticos como estudiante de posgrado en el Laboratorio de Robótica Multiescala de Brad Nelson en ETH Zurich. Cuando llegó al laboratorio de Bhatia como postdoctoral en 2014, comenzó a investigar si este tipo de bot podría ayudar a hacer que la administración de medicamentos con nanopartículas sea más eficiente.

En la mayoría de los casos, los investigadores dirigen sus nanopartículas a sitios de enfermedades que están rodeados por vasos sanguíneos "con fugas", como los tumores. Esto hace que sea más fácil que las partículas entren en el tejido, pero el proceso de suministro no es tan efectivo como debe ser.

El equipo del MIT decidió explorar si las fuerzas generadas por los robots magnéticos podrían ofrecer una mejor manera de expulsar las partículas fuera del torrente sanguíneo hacia el sitio objetivo.

Los robots que Schuerle usó en este estudio tienen 35 centésimas de milímetro de largo, son similares en tamaño a una sola celda y se pueden controlar aplicando un campo magnético externo. Este robot bioinspirado, que los investigadores llaman un "flagelo bacteriano artificial", consiste en una pequeña hélice que se asemeja a los flagelos que muchas bacterias utilizan para propulsarse. Estos robots están impresos en 3D con una impresora 3D de alta resolución y luego recubiertos con níquel, lo que los hace magnéticos.

Para probar la capacidad de un solo robot para controlar las nanopartículas cercanas, los investigadores crearon un sistema microfluídico que imita los vasos sanguíneos que rodean los tumores. El canal en su sistema, de 50 a 200 micrones de ancho, está recubierto con un gel que tiene agujeros para simular los vasos sanguíneos rotos que se observan cerca de los tumores.

Usando imanes externos, los investigadores aplicaron campos magnéticos al robot, lo que hace que la hélice gire y nade a través del canal. Debido a que el fluido fluye a través del canal en la dirección opuesta, el robot permanece estacionario y crea una corriente de convección, que empuja partículas de poliestireno de 200 nanómetros al tejido del modelo. Estas partículas penetraron dos veces más en el tejido que las nanopartículas entregadas sin la ayuda del robot magnético.

Este tipo de sistema podría potencialmente incorporarse en stents, que son estacionarios y serían fáciles de apuntar con un campo magnético aplicado externamente. Tal enfoque podría ser útil para administrar medicamentos para ayudar a reducir la inflamación en el sitio del stent, dice Bhatia.

Enjambres bacterianos

Los investigadores también desarrollaron una variante de este enfoque que se basa en enjambres de bacterias naturalmente magnetotácticas en lugar de microrobots. Bhatia ha desarrollado previamente bacterias que pueden usarse para administrar medicamentos contra el cáncer y para diagnosticar el cáncer, aprovechando la tendencia natural de las bacterias a acumularse en los sitios de la enfermedad.

Para este estudio, los investigadores utilizaron un tipo de bacteria llamada Magnetospirillum magneticum, que naturalmente produce cadenas de óxido de hierro. Estas partículas magnéticas, conocidas como magnetosomas, ayudan a las bacterias a orientarse y encontrar sus ambientes preferidos.

Los investigadores descubrieron que cuando colocan estas bacterias en el sistema microfluídico y aplican campos magnéticos giratorios en ciertas orientaciones, las bacterias comienzan a girar en sincronía y se mueven en la misma dirección, arrastrando las nanopartículas que se encuentran cerca. En este caso, los investigadores encontraron que las nanopartículas se introdujeron en el tejido del modelo tres veces más rápido que cuando las nanopartículas se suministraron sin asistencia magnética.

Este enfoque bacteriano podría ser más adecuado para la administración de fármacos en situaciones como un tumor, donde el enjambre, controlado externamente sin la necesidad de retroalimentación visual, podría generar fuerzas fluídicas en los vasos a lo largo del tumor.

Las partículas que los investigadores utilizaron en este estudio son lo suficientemente grandes como para transportar grandes cargas útiles, incluidos los componentes necesarios para el sistema de edición del genoma CRISPR, dice Bhatia. Ahora planea colaborar con Schuerle para desarrollar aún más estos dos enfoques magnéticos para pruebas en modelos animales.

La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencia de Suiza, la Beca Branco Weiss, los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencia y el Instituto Médico Howard Hughes.