Impedire la crescita delle cellule tumorali nel corpo umano è una delle maggiori sfide della scienza medica moderna. Tuttavia, ora un team di ricercatori del Max Planck Institute for Intelligent Systems sostiene di aver sviluppato una terapia avanzata mediata da batteri per combattere i tumori che si diffondono. Il trattamento proposto prevede l’uso di microrobot a base di batteri guidati magneticamente come vettori di farmaci.

I microrobot rilasciano i farmaci direttamente nei tumori e distruggono le cellule tumorali in modo indolore ed efficace. “Questa somministrazione sul posto sarebbe minimamente invasiva per il paziente, indolore, avrebbe una tossicità minima e i farmaci svilupperebbero il loro effetto dove necessario e non all’interno dell’intero corpo”. ha dichiarato Yunus Alapan, coautore dello studio.

Nel corso dello studio, i ricercatori sono riusciti ad attaccare nanoliposomi (vescicole sferiche fatte di lipidi che vengono utilizzate per immagazzinare farmaci al loro interno) e nanoparticelle magnetiche a circa 86 E. coli batteri. Questi attacchi speciali hanno trasformato i comuni batteri in un piccolo esercito di microrobot bioibridi batterici.

La scienza alla base dei microrobot bioibridi batterici

Nanoliposomi e nanoparticelle magnetiche attaccate a E. coli. Fonte: Birgül Akolpoglu et al. 2022/Science Advances

I numerosi nanoliposomi collegati a ciascun E. coli I batteri sono in realtà vescicole riempite di molecole di farmaci chemioterapici. Il loro rivestimento esterno può essere facilmente rimosso entrando in contatto con i raggi infrarossi. Dall’altro lato, le particelle magnetiche (ossido di ferro) attaccate ai batteri sono utilizzate per controllare il loro movimento all’interno del corpo umano.

Da quando E. coli è un microbo altamente mobile, i ricercatori li hanno esposti a un campo magnetico. La direzione del campo magnetico ha guidato il movimento delle particelle di ossido di ferro e anche dei batteri a cui erano attaccate. Inoltre, per legare i batteri alle particelle magnetiche e ai nanoliposomi, i ricercatori hanno utilizzato complessi streptavidina-biotina, i più potenti agenti leganti le biomolecole che vengono spesso utilizzati per identificare nuovi bersagli farmacologici.

I complessi streptavidina-biotina sono altamente stabili e fungono da corde indistruttibili che legano gli attacchi ai batteri. Mentre spiegare il processo inoltre, Birgül Akolpoglu, l’autore principale dello studio ha dichiaratoImmaginiamo di iniettare questi microrobot a base di batteri nel corpo di un paziente malato di cancro. Con un magnete, potremmo dirigere con precisione le particelle verso il tumore. Una volta che un numero sufficiente di microrobot circonda il tumore, puntiamo un laser sul tessuto e questo innesca il rilascio del farmaco. Ora, non solo il sistema immunitario si risveglia, ma i farmaci aggiuntivi contribuiscono a distruggere il tumore”.

I ricercatori sostengono che la “somministrazione in loco” di farmaci chemioterapici mediante microrobot bioibridi può essere realizzata senza causare alcun dolore o infezione all’interno del corpo del paziente. Inoltre, con ulteriori ricerche e sviluppi, potrebbe emergere come una delle strategie di trattamento più efficaci contro il cancro in futuro.

I microrobot batterici sono perfetti per combattere il cancro

Questi microrobot batterici possono uccidere il cancro senza causare dolore e lacerazioni
Microrobot ibridi a base di batteri che si muovono verso il loro bersaglio sotto l’influenza di un campo magnetico. Fonte: Birgül Akolpoglu et al. 2022/Science Advances

I microrobot bioibridi promettono un trattamento del cancro basato su un approccio chiamato terapia mediata da batteri (l’uso di batteri per somministrare farmaci o rilasciare enzimi nel corpo umano nei punti desiderati). Sorprendentemente, non si tratta di un nuovo metodo di trattamento, ma è stato un metodo difficile. Molti scienziati hanno cercato di dotare i microrganismi di farmaci antitumorali.

Tuttavia, la maggior parte di essi ha fallito perché un trattamento di successo utilizzando questa strategia richiede una combinazione perfetta di tecniche diverse. È qui che Birgül Akolpoglu e il suo team sono riusciti ad anticipare tutti gli altri. Hanno impiegato materiali che hanno potenziato la capacità dei comuni batteri e li hanno trasformati in nanomacchine altamente efficienti per la somministrazione di farmaci.

Ad esempio, i nanoliposomi attaccati ai batteri erano costituiti da speciali capsule chiamate particelle verdi per immagazzinare efficacemente i farmaci antitumorali. Queste particelle rilasciavano il farmaco solo quando entravano in contatto con la radiazione infrarossa (un raggio laser). Inoltre, queste particelle non lasciano spazio all’interazione tra le molecole terapeutiche e le secrezioni batteriche naturali.

Per superare i problemi legati al controllo del movimento con E. coli, i ricercatori hanno utilizzato le proprietà magnetiche delle particelle di ossido ferroso. Pertanto, integrando la robotica e la fisica con la biologia, i ricercatori del Max Planck Institute for Intelligent Systems sono riusciti a trovare i componenti perfetti per superare le diverse sfide associate al trattamento del cancro mediato dai batteri.

Il studio è pubblicato sulla rivista Science Advances.

Abstract:
I bioibridi batterici, composti da batteri semoventi che trasportano materiali su micro/nanoscala, possono trasportare il loro carico utile in regioni specifiche sotto controllo magnetico, consentendo ulteriori frontiere nella medicina minimamente invasiva. Tuttavia, gli attuali progetti di bioibridi batterici non sono caratterizzati da un’elevata produttività e da una facile costruzione di carichi favorevoli, con conseguenti scarse prestazioni in termini di propulsione, efficienza del carico utile, penetrazione nei tessuti e funzionamento spazio-temporale. Qui presentiamo bioibridi batterici controllati magneticamente per la localizzazione mirata e il rilascio di farmaci multistimolanti in matrici biologiche tridimensionali (3D). Nanoparticelle magnetiche e nanoliposomi caricati con agenti fototermici e molecole chemioterapiche sono stati integrati su Escherichia coli con un’efficienza del 90%. I bioibri batterici, superiori ai microrobot a base di Escherichia coli precedentemente riportati, hanno mantenuto la loro motilità originale e sono stati in grado di navigare attraverso le matrici biologiche e di colonizzare sferoidi tumorali sotto campi magnetici per il rilascio on-demand delle molecole di farmaci mediante stimolo nel vicino infrarosso. Il nostro lavoro fornisce quindi una piattaforma microrobotica multifunzionale per la locomozione guidata in reti biologiche 3D e per la somministrazione di farmaci a stimolo reattivo per diverse applicazioni mediche.

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