دانشمندان رباتیک را با زیست شناسی ترکیب می کنند تا میکروربات های بیوهیبریدی بسازند



تیمی از دانشمندان دپارتمان هوش فیزیکی در موسسه سیستم های هوشمند ماکس پلانک با تجهیز رباتیک را با زیست شناسی ترکیب کرده اند. E. coli باکتری ها با اجزای مصنوعی برای ساخت میکروربات های بیوهیبرید در ابتدا، این تیم چندین نانولیپوزوم را به هر باکتری متصل کردند. در دایره بیرونی خود، این حامل‌های کروی شکل، ماده‌ای (ICG، ذرات سبز) را محصور می‌کنند که وقتی با نور مادون قرمز نزدیک روشن می‌شود، ذوب می‌شود. بیشتر به سمت وسط، در داخل هسته آبی، لیپوزوم ها مولکول های داروی شیمی درمانی محلول در آب (DOX) را محصور می کنند.

دومین جزء که محققان به این باکتری متصل کردند، نانوذرات مغناطیسی است. هنگامی که در معرض میدان مغناطیسی قرار می گیرند، ذرات اکسید آهن به عنوان یک تقویت کننده روی این میکروارگانیسم بسیار متحرک عمل می کنند. به این ترتیب، کنترل شنای باکتری‌ها آسان‌تر است – یک طراحی بهبود یافته به سمت یک برنامه in vivo. در همین حال، طناب اتصال لیپوزوم ها و ذرات مغناطیسی به باکتری یک کمپلکس استرپتاویدین و بیوتین بسیار پایدار و سخت است که چند سال قبل ساخته شده است (https://www.nature.com/articles/s41598-018- 28102-9) و هنگام ساخت میکروربات های بیوهیبرید مفید است.

باکتری E. coli شناگران سریع و همه کاره ای هستند که می توانند در مواد مختلف از مایعات گرفته تا بافت های بسیار چسبناک حرکت کنند. اما این همه چیز نیست، آنها همچنین دارای قابلیت های سنجش بسیار پیشرفته هستند. باکتری ها به سمت شیب های شیمیایی مانند سطوح کم اکسیژن یا اسیدیته بالا کشیده می شوند – هر دو در نزدیکی بافت تومور شایع هستند. درمان سرطان با تزریق باکتری در مجاورت به عنوان درمان تومور با واسطه باکتری شناخته می شود. میکروارگانیسم ها به جایی که تومور قرار دارد سرازیر می شوند، در آنجا رشد می کنند و از این طریق سیستم ایمنی بدن بیماران را فعال می کنند. درمان تومور با واسطه باکتری برای بیش از یک قرن یک رویکرد درمانی بوده است.

در چند دهه گذشته، دانشمندان به دنبال راه هایی برای افزایش بیش از پیش ابرقدرت این میکروارگانیسم بوده اند. آنها باکتری ها را با اجزای اضافی برای کمک به نبرد مجهز کردند. با این حال، افزودن اجزای مصنوعی کار آسانی نیست. واکنش‌های شیمیایی پیچیده در جریان هستند و نرخ چگالی ذرات بارگذاری شده روی باکتری برای جلوگیری از رقیق شدن اهمیت دارد. تیم اشتوتگارت اکنون میله را بسیار بالا برده است. آنها توانستند 86 باکتری از 100 باکتری را به لیپوزوم و ذرات مغناطیسی مجهز کنند.

دانشمندان نشان دادند که چگونه توانستند چنین محلول با چگالی بالایی را در مسیرهای مختلف هدایت کنند. ابتدا از یک کانال باریک L شکل با دو محفظه در هر انتها، با یک کروی تومور در هر کدام. دوم، مجموعه ای حتی باریک تر شبیه رگ های خونی کوچک. آنها یک آهنربای دائمی اضافی را در یک طرف اضافه کردند و نشان دادند که چگونه میکروربات های دارو را به سمت کروی های تومور به طور دقیق کنترل می کنند. و سوم – یک قدم جلوتر – تیم میکروربات ها را از طریق یک ژل کلاژن چسبناک (شبیه بافت تومور) با سه سطح سفتی و تخلخل، از نرم تا متوسط ​​تا سفت هدایت کردند. هرچه کلاژن سفت‌تر باشد، رشته‌های پروتئینی محکم‌تر باشد، یافتن راهی برای باکتری‌ها از طریق ماتریکس دشوارتر می‌شود. این تیم نشان داد که وقتی یک میدان مغناطیسی اضافه می‌کنند، باکتری‌ها می‌توانند تا انتهای دیگر ژل حرکت کنند، زیرا باکتری‌ها نیروی بیشتری دارند. به دلیل هم ترازی ثابت، باکتری ها راهی از میان الیاف پیدا کردند.

هنگامی که میکروربات ها در نقطه مورد نظر (کره تومور) جمع می شوند، یک لیزر مادون قرمز نزدیک پرتوهایی با دمای تا 55 درجه سانتیگراد تولید می کند و فرآیند ذوب لیپوزوم و آزاد شدن داروهای محصور را آغاز می کند. سطح pH پایین یا محیط اسیدی نیز باعث می شود که نانولیپوزوم ها باز شوند – بنابراین داروها به طور خودکار در نزدیکی تومور آزاد می شوند.

“تصور کنید ما میکروربات های مبتنی بر باکتری را به بدن یک بیمار سرطانی تزریق کنیم. با آهنربا، می توانیم ذرات را دقیقا به سمت تومور هدایت کنیم. هنگامی که میکروربات های کافی دور تومور را احاطه کردند، لیزر را به سمت بافت نشانه می گیریم و با این کار ترشح دارو را آغاز می کنیم. اکنون، نه تنها سیستم ایمنی برای بیدار شدن تحریک می شود، بلکه داروهای اضافی نیز به از بین بردن تومور کمک می کنند.” دانشجوی گروه هوش فیزیکی در MPI-IS. او اولین نویسنده این نشریه با عنوان “میکروربات‌های باکتریایی با قابلیت هدایت مغناطیسی در حال حرکت در ماتریس‌های بیولوژیکی سه بعدی برای تحویل محموله‌های محرکدکتر یونس آلاپان، محقق سابق فوق دکتری در بخش هوش فیزیکی، به رهبری مشترک. پیشرفت علم در 15 جولای 2022.

این زایمان در محل برای بیمار کم تهاجمی خواهد بود، بدون درد، حداقل سمیت را به همراه خواهد داشت و داروها اثر خود را در جایی که نیاز است و نه در کل بدن ایجاد می کنند.

دکتر یونس آلاپان، محقق سابق فوق دکتری در بخش هوش فیزیکی

پروفسور دکتر متین سیتی، که سرپرستی بخش هوش فیزیکی آخرین نویسنده این نشریه است. “اثرات درمانی میکروربات‌های پزشکی در جستجو و از بین بردن سلول‌های تومور می‌تواند قابل توجه باشد. کار ما نمونه‌ای عالی از تحقیقات اساسی است که هدف آن سودمندی جامعه ما است.”

منبع:

موسسه ماکس پلانک برای سیستم های هوشمند

مرجع مجله:

آکولپوغلو، MB، و همکاران (2022) میکروربات‌های باکتریایی با قابلیت هدایت مغناطیسی که در ماتریس‌های بیولوژیکی سه بعدی برای تحویل محموله پاسخ‌دهنده حرکت می‌کنند. پیشرفت علم doi.org/10.1126/sciadv.abo6163.



منبع