De collectieve beweging van nanorobots die in vivo worden waargenomen

Nanobots zijn machines waarvan de componenten zich op nanoschaal (een miljoenste millimeter) bevinden en zo kunnen worden ontworpen dat ze zich autonoom in vloeistoffen kunnen voortbewegen. Hoewel ze zich nog in de onderzoeks- en ontwikkelingsfase bevinden, wordt er aanzienlijke vooruitgang geboekt in de richting van het gebruik van nanorobots in de biogeneeskunde. Hun toepassingen zijn gevarieerd, van de identificatie van tumorcellen tot de afgifte van medicijnen op specifieke locaties in het lichaam. Nanorobots aangedreven door katalytische enzymen behoren tot de meest veelbelovende systemen omdat ze volledig biocompatibel zijn en gebruik kunnen maken van “brandstoffen” die al in het lichaam aanwezig zijn voor hun voortstuwing. Het begrijpen van het collectieve gedrag van deze nanorobots is echter essentieel om vooruitgang te boeken in de richting van hun gebruik in de klinische praktijk.

Nu, in een nieuwe studie die in het tijdschrift is gepubliceerd Wetenschap Robotica, onderzoekers onder leiding van ICREA Research Professor Samuel Sánchez en zijn team “Smart Nano-Bio-Devices” aan het Instituut voor Bioengineering van Catalonië (IBEC), samen met de groep Radiochemistry & Nuclear Imaging Lab van CIC biomaGUNE onder leiding van Jordi Llop en de Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), zijn erin geslaagd om in vivo het collectieve gedrag van een groot aantal autonome nanorobots in de blaas van levende muizen te observeren met behulp van radioactieve isotopenlabeling.

“Het feit dat we hebben kunnen zien hoe nanorobots samen bewegen, als een zwerm, en ze volgen in een levend organisme, is belangrijk, aangezien miljoenen van hen nodig zijn om specifieke pathologieën te behandelen, zoals bijvoorbeeld kankertumoren,” zegt Samuel Sánchez, hoofdonderzoeker bij IBEC.

“We hebben voor het eerst aangetoond dat nanorobots in vivo kunnen worden bewaakt via Positron Emission Tomography (PET), een zeer gevoelige, niet-invasieve techniek die wordt gebruikt in de biomedische omgeving”, zegt Jordi Llop, hoofdonderzoeker bij Radiochemistry & Nuclear Imaging Lab van CIC biomaGUNE.

Om dit te doen, voerden de onderzoekers eerst in vitro experimenten uit, waarbij ze de nanorobots monitoren door middel van optische microscopie en positron emissie tomografie (PET). Met beide technieken konden ze observeren hoe de nanodeeltjes zich vermengden met de vloeistoffen en in staat waren om gezamenlijk complexe paden te volgen. De nanorobots werden vervolgens intraveneus aan muizen toegediend en tenslotte in de blazen van deze dieren ingebracht. Omdat nanorobots zijn bedekt met een enzym genaamd urease, dat het ureum uit urine als brandstof gebruikt, zwemmen ze collectief en induceren ze vloeistofstromen in de blaas.

Collectieve bewegingen vergelijkbaar met zwermen vogels of scholen vissen

Het team van wetenschappers ontdekte dat de distributie van nanodevices in de blaas van de muizen homogeen was, wat aangeeft dat de collectieve beweging gecoördineerd en efficiënt was. “Nanorobots vertonen collectieve bewegingen die lijken op die in de natuur, zoals vogels die in zwermen vliegen, of de ordelijke patronen die scholen vissen volgen”, legt Samuel Sánchez, ICREA Research Professor bij IBEC, uit. “We hebben gezien dat nanorobots die urease op het oppervlak hebben, veel sneller bewegen dan nanorobots die dat niet doen. Het is daarom een ​​proof of concept van de oorspronkelijke theorie dat nanorobots beter in staat zullen zijn om een ​​tumor te bereiken en deze te penetreren”, zegt Jordi Llop, hoofdonderzoeker bij CIC biomaGUNE.

Deze studie toont de hoge efficiëntie aan van miljoenen nanoscopische apparaten om op een gecoördineerde manier te bewegen in zowel in vitro als in vivo omgevingen, een feit dat een fundamentele vooruitgang betekent in de race van nanorobots om de belangrijkste spelers te worden in zeer nauwkeurige therapieën en behandelingen. Toekomstige toepassingen in de geneeskunde van deze apparaten op nanoschaal zijn veelbelovend. Er is ook aangetoond “dat de beweging van deze apparaten kan worden gevolgd met behulp van beeldvormingstechnieken die kunnen worden toegepast op de in vivo-omgeving, met andere woorden, ze kunnen worden toegepast bij proefdieren en bieden de mogelijkheid voor overdracht op mensen”, zegt Cristina Simó, een van de eerste auteurs van de studie en een onderzoeker in de CIC biomaGUNE-groep.

“Dit is de eerste keer dat we in staat zijn om de actieve diffusie van biocompatibele nanorobots in biologische vloeistoffen in vivo direct te visualiseren. De mogelijkheid om hun activiteit in het lichaam te volgen en het feit dat ze een meer homogene verdeling vertonen, zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de manier waarop we begrijpen Op nanodeeltjes gebaseerde medicijnafgifte en diagnostische benaderingen ”, zegt Tania Patiño, co-corresponderende auteur van het artikel.

Nanobot-zwermen kunnen vooral nuttig zijn in stroperige media, waar medicijnverspreiding vaak wordt beperkt door slechte vascularisatie, zoals in het maagdarmkanaal, het oog of de gewrichten. “Aangezien verschillende enzymen kunnen worden opgenomen in de kleine motoren, kunnen nanorobots worden aangepast aan het deel in het organisme, door het apparaat aan te passen aan de toegankelijke brandstof in de omgeving waarin ze moeten bewegen”, besluit professor Sánchez.