Desarrollan microrobots biohíbridos con la misión de luchar contra el cáncer

Un equipo de científicos del Departamento de Inteligencia Física del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes, en Alemania, ha combinado la robótica con la biología equipando a las bacterias 'E. coli' con componentes artificiales para construir microrobots biohíbridos, según publican en la revista 'Science Advances'.

En primer lugar, el equipo adhirió varios nanoliposomas a cada bacteria. En su círculo exterior, estos portadores de forma esférica encierran un material (ICG) que se funde cuando se ilumina con luz infrarroja cercana. Más hacia el centro, dentro del núcleo acuoso, los liposomas encapsulan moléculas de fármacos quimioterapéuticos solubles en agua (DOX).

El segundo componente que los investigadores adhirieron a la bacteria son nanopartículas magnéticas. Cuando se exponen a un campo magnético, las partículas de óxido de hierro sirven de refuerzo a este microorganismo, ya de por sí muy móvil.

De este modo, es más fácil controlar la natación de la bacteria, un diseño mejorado hacia una aplicación in vivo. Mientras tanto, la cuerda que une los liposomas y las partículas magnéticas a la bacteria es un complejo de estreptavidina y biotina muy estable y difícil de romper, que se desarrolló unos años antes y que resulta útil para construir microrobots biohíbridos.

Las bacterias 'E. coli' son nadadores rápidos y versátiles que pueden navegar a través de materiales que van desde líquidos hasta tejidos muy viscosos. Pero eso no es todo, también tienen capacidades sensoriales muy avanzadas. Las bacterias se sienten atraídas por gradientes químicos como niveles bajos de oxígeno o alta acidez, ambos frecuentes cerca del tejido tumoral.

El tratamiento del cáncer mediante la inyección de bacterias en su proximidad se conoce como terapia tumoral mediada por bacterias. Los microorganismos fluyen hasta el lugar donde se encuentra el tumor, crecen allí y de esta forma activan el sistema inmunitario de los pacientes. La terapia tumoral mediada por bacterias es un enfoque terapéutico desde hace más de un siglo.

En las últimas décadas, los científicos han buscado formas de aumentar aún más los superpoderes de este microorganismo. Para ello, han dotado a las bacterias de componentes adicionales que les ayuden a librar la batalla.

Sin embargo, añadir componentes artificiales no es tarea fácil. Hay complejas reacciones químicas en juego, y el índice de densidad de las partículas cargadas en la bacteria es importante para evitar su dilución. El equipo de Stuttgart ha conseguido dotar a 86 de cada 100 bacterias tanto de liposomas como de partículas magnéticas.

Los científicos mostraron cómo lograron dirigir externamente una solución de tan alta densidad a través de diferentes cursos. Primero, a través de un canal estrecho en forma de L con dos compartimentos en cada extremo, con un esferoide tumoral en cada uno.

En segundo lugar, una configuración aún más estrecha que se asemeja a pequeños vasos sanguíneos. Añadieron un imán permanente adicional en un lado y mostraron cómo controlan con precisión los microrobots cargados de fármacos hacia los esferoides tumorales.

Y en tercer lugar, yendo un paso más allá, el equipo dirigió los microrobots a través de un gel de colágeno viscoso (parecido al tejido tumoral) con tres niveles de rigidez y porosidad, que van de blandos a medios y a rígidos. Cuanto más rígido es el colágeno y más apretada es la red de hilos de proteínas, más difícil es para las bacterias encontrar un camino a través de la matriz.

El equipo demostró que, una vez que añaden un campo magnético, las bacterias consiguen navegar hasta el otro extremo del gel, ya que las bacterias tienen una fuerza mayor. Debido a la alineación constante, las bacterias encontraron un camino a través de las fibras.

Una vez que los microrobots se acumulan en el punto deseado (el esferoide del tumor), un láser de infrarrojos cercanos genera rayos con temperaturas de hasta 55 grados Celsius, lo que desencadena un proceso de fusión del liposoma y una liberación de los fármacos encerrados.

Un nivel de pH bajo o un entorno ácido también hace que los nanoliposomas se abran, por lo que los fármacos se liberan cerca de un tumor automáticamente.

"Imaginemos que inyectamos estos microrobots basados en bacterias en el cuerpo de un paciente con cáncer. Con un imán, podríamos dirigir con precisión las partículas hacia el tumor. Una vez que un número suficiente de microbots rodea el tumor, apuntamos con un láser al tejido y con ello desencadenamos la liberación del fármaco. Ahora, no sólo se activa el sistema inmunitario para que se despierte, sino que los fármacos adicionales también ayudan a destruir el tumor", afirma Birgül Akolpoglu, estudiante de doctorado en el Departamento de Inteligencia Física del MPI-IS y primera autora del estudio.

"Esta entrega in situ sería mínimamente invasiva para el paciente, indolora, soportaría una toxicidad mínima y los fármacos desarrollarían su efecto donde se necesita y no dentro de todo el cuerpo", añade Alapan.

"Los microrobots biohíbridos basados en bacterias con funcionalidades médicas podrían algún día combatir el cáncer con mayor eficacia. Se trata de un nuevo enfoque terapéutico no muy alejado de cómo tratamos el cáncer hoy en día -añade el profesor Dr. Metin Sitti, que dirige el Departamento de Inteligencia Física y es el último autor de la publicación-. Los efectos terapéuticos de los microrobots médicos en la búsqueda y destrucción de células tumorales podrían ser sustanciales. Nuestro trabajo es un gran ejemplo de investigación básica que pretende beneficiar a nuestra sociedad".