Bubble Bots: Microrobots biocompatibles que navegan autónomamente hacia tumores

Robotics & Automation INSIDER

Los científicos crearon dos tipos diferentes de bubble bots. Los ilustrados en la parte superior de esta imagen están modificados con nanopartículas magnéticas y dirigidos hacia un tumor objetivo con imanes externos. Los bots ilustrados en la parte inferior tienen diferentes enzimas unidas a la superficie y siguen un gradiente químico para localizar el objetivo tumoral independientemente. (Imagen: Gao Lab/Caltech)

El potencial de los microrobots es enorme. Estos objetos miniatura pueden diseñarse para realizar acciones dentro del cuerpo, como detectar biomarcadores, manipular objetos como coágulos sanguíneos, o administrar terapias farmacológicas a sitios tumorales. Pero averiguar cómo hacer que los pequeños bots sean efectivos, biocompatibles y rentables es un desafío. Ahora un equipo liderado por Caltech ha dado un gran paso hacia la próxima generación de microrobots para administración de fármacos. Han simplificado tanto la estructura de los microrobots como su método de producción, mientras hacen que los bots sean altamente efectivos y "inteligentes" lo suficiente para dirigirse a un tumor.

El equipo de científicos de Caltech y USC describe los bubble bots y su aplicación exitosa en el tratamiento de tumores de vejiga en ratones en un artículo que aparece en la edición del 2 de febrero de la revista Nature Nanotechnology.

El equipo, liderado por Wei Gao, Profesor de Ingeniería Médica en Caltech y Investigador del Heritage Medical Research Institute, usó previamente imágenes de ultrasonido y guía magnética en un modelo animal para entregar robots miniatura impresos en 3D a un tumor donde podían biodegradarse y liberar su carga: fármacos contra el cáncer. Esos microrobots se fabricaban en una sala blanca con equipo especializado y presentaban una cubierta de hidrogel hecha de un polímero gelatinoso que rodeaba una microburbuja. Esta cubierta ayudaba a propulsar los bots y proporcionaba un excelente contraste de imagen para permitir a los investigadores rastrearlos dentro del cuerpo.

"Pensamos, ¿qué pasa si lo hacemos aún más simple, y simplemente hacemos que la burbuja misma sea un robot?" dijo Gao. "Podemos hacer burbujas fácilmente y ya sabemos que son muy biocompatibles. Y si quieres reventarlas, puedes hacerlo inmediatamente".

El equipo desarrolló un método para crear tales bubble bots simples. Usando una sonda de ultrasonido, agitaron una solución que consistía en BSA (albúmina sérica bovina, una proteína animal estándar a menudo usada en experimentos de laboratorio) para hacer miles de microburbujas con cubiertas de proteína.

Luego, los científicos aprovecharon otra característica de la cubierta de proteína, los abundantes grupos aminos disponibles en la superficie. Los grupos aminos son una colección de átomos que presentan un enlace carbono-nitrógeno, que pueden modificarse químicamente fácilmente. Al unirse a estos grupos aminos, los investigadores crearon dos tipos de microrobots con diferentes formas de controlar sus movimientos. Y fármacos contra el cáncer como la doxorrubicina pueden unirse exitosamente a la superficie de ambas versiones.

Los científicos unieron la enzima ureasa a la superficie de ambas versiones de los bubble bots. La ureasa actúa como un pequeño motor para mover los robots. La enzima cataliza una reacción con urea, un producto de desecho abundante que se encuentra en todo el cuerpo y que sirve como una especie de biocombustible para los robots, produciendo amoníaco y dióxido de carbono. Como la ureasa no se distribuye uniformemente en la superficie de las burbujas, con el tiempo, más de estos productos se acumularán en un lado versus el otro. Ese desequilibrio crea un entorno químico asimétrico alrededor de la burbuja, generando un "empuje" neto que impulsa los microrobots hacia adelante.

En la primera versión, el equipo unió nanopartículas magnéticas a la superficie de los bubble bots, haciéndolos magnéticamente responsivos. Con la ayuda de imágenes de ultrasonido de las microburbujas interiores de los bots, los bubble bots podían ser dirigidos con imanes externos hacia un objetivo dentro del cuerpo.

Pero los investigadores querían ir un paso más allá. "Queríamos hacer que los robots fueran más inteligentes", dijo Gao. Sabiendo que los tumores e inflamación producen altas concentraciones de peróxido de hidrógeno comparado con células normales, el equipo decidió unir una enzima adicional llamada catalasa a la superficie de una segunda versión de los microrobots. La catalasa impulsa una reacción con peróxido de hidrógeno, creando agua y oxígeno. A través de lo que se conoce como comportamiento quimiotáctico, las burbujas unidas a catalasa se mueven automáticamente hacia concentraciones más altas de peróxido de hidrógeno, dirigiéndolas hacia los tumores.

"En este caso, no necesitas ninguna imagen; no necesitas ningún control externo. El robot es lo suficientemente inteligente para encontrar el tumor", explica Gao. "El movimiento autónomo del robot de burbuja, junto con su capacidad para detectar el gradiente de peróxido de hidrógeno conduce a esta focalización, que llamamos focalización quimiotáctica de tumores".

Una vez que los bubble bots llegan a su objetivo, los científicos pueden aplicar ultrasonido enfocado para reventar las burbujas, liberando su carga terapéutica. Esa fuerte acción de reventado mejora la penetración del fármaco en el tumor comparado con los robots de hidrogel de degradación lenta usados previamente por el equipo.

Cuando los científicos inyectaron ratones con bubble bots para administrar terapéuticos anti-tumorales, observaron una disminución de aproximadamente el 60 por ciento en el peso de los tumores de vejiga durante un período de 21 días, comparado con ratones que recibieron solo el fármaco.

"Esta plataforma de robot de burbuja es simple, pero integra lo que necesitas para la terapia: biocompatibilidad, movimiento controlable, guía de imagen y un disparador a demanda que ayuda al fármaco a penetrar más profundo en el tumor. Nuestro objetivo siempre ha sido mover los microrobots más cerca del uso clínico real, y este diseño robótico es un gran paso en esa dirección", dijo el autor principal del artículo, Songsong Tang, quien completó el trabajo durante su tiempo como becario postdoctoral en el laboratorio de Gao en Caltech.

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