Ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han diseñado pequeños robots que pueden ayudar a las nanopartículas de administración de fármacos a ir más allá del torrente sanguíneo y llegar a un tumor u otro sitio donde la enfermedad de concentra.
Como en la película “Viaje Fantástico de 1966“, que narra la historia fantástica de un viaje al interior del cuerpo humano donde un submarino tripulado ha sido reducido de tamaño y recorre un cuerpo para reparar sus células dañadas: los robots nadan a través del torrente sanguíneo, creando una corriente que arrastra las nanopartículas junto con ellos.
Estos microrobots magnéticos, inspirados en la propulsión bacteriana, podrían ayudar a superar uno de los mayores obstáculos en cuanto a la administración de medicamentos con nanopartículas: hacer que las partículas salgan de los vasos sanguíneos y se acumulen en el lugar correcto.
“Cuando se colocan nanomateriales en el torrente sanguíneo y se los dirige al tejido enfermo, la barrera más grande para que ese tipo de carga útil se introduzca en el tejido es el revestimiento del vaso sanguíneo“, dice Sangeeta Bhatia, profesora de Ciencias de la Salud y Tecnología e Ingeniería Eléctrica y Ciencias Informáticas, miembro del Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer del MIT y del Instituto de Ingeniería Médica y Ciencia, y el autor principal del estudio.
“Nuestra idea fue ver si usando el magnetismo se podía crear un tipo de fuerza de flujo que empujara las nanopartículas hacia el tejido dañado“, agrega Simone Schuerle, ex postdoctoral del MIT y co-autor del artículo, que aparece en la edición abril de la revista Science Advances.
En el mismo estudio, los investigadores también demostraron que podrían lograr un efecto similar utilizando grupos de bacterias vivas que son naturalmente magnéticas.
Según los investigadores, cada una de estas alternativas podría ser adecuada para diferentes tipos de administración de medicamentos.
Robots minúsculos
Schuerle, cuando llegó al laboratorio de Bhatia como postdoctoral en 2014, comenzó a investigar si este tipo de robot miniatura podría ayudar a que el suministro de medicamentos con nanopartículas fuera más eficiente.
En la mayoría de los casos, los investigadores dirigen sus nanopartículas a sitios rodeados por vasos sanguíneos “con fugas“, como los tumores. Esto hace que sea más fácil que las partículas entren en el tejido, pero el proceso de suministro no es tan efectivo como debe ser.
El equipo del MIT decidió explorar si las fuerzas generadas por los robots magnéticos podrían ofrecer una mejor manera de expulsar las partículas fuera del torrente sanguíneo hacia el sitio objetivo.
Los robots que Schuerle usó en este estudio tienen 35 centésimas de milímetro de largo y se pueden controlar aplicando un campo magnético externo. Este robot bioinspirado (inspirado en el movimiento de las bacterias), que los investigadores llaman un “flagelo bacteriano artificial“, consiste en una pequeña hélice que se asemeja a los flagelos que muchas bacterias usan para impulsarse.
Estos robots están hechos con una impresora 3D de alta resolución y luego fueron recubiertos con níquel, haciéndolos magnéticos.
Para probar la capacidad que tiene un solo robot para controlar las nanopartículas cercanas, los investigadores crearon un sistema de microfluidos, imitando los vasos sanguíneos que rodean los tumores. El canal en su sistema, de 50 a 200 micrones de ancho, se encontraba recubierto con un gel que posee agujeros para simular los vasos sanguíneos rotos que se observan cerca de los tumores.
Usando imanes externos, los investigadores aplicaron campos magnéticos al robot, haciendo que la hélice gire y nade a través del canal. Debido a que el fluido en el canal va en la dirección opuesta, el robot permanece estacionario y crea una corriente de convección, que empuja partículas de poliestireno de 200 nanómetros al tejido del modelo.
Estas partículas penetraron dos veces más en el tejido que las nanopartículas que son suministradas sin la ayuda del robot magnético.
Este tipo de sistema podría potencialmente incorporarse en stents (endoprótesis vasculares, es un tubo de malla de metal que se expande dentro de una arteria del corazón), y serían fáciles de colocar con un campo magnético aplicado externamente. Tal procedimiento podría ser útil para administrar medicamentos y reducir la inflamación en el sitio donde se coloca el stent, dice Bhatia.
Grupos bacterianos
Los investigadores también desarrollaron una variante de este método, basado en grupos de bacterias que son naturalmente magnetotácticas en lugar de microrobots.
Bhatia ha desarrollado previamente bacterias que pueden usarse para administrar medicamentos contra el cáncer y para diagnosticar el cáncer, aprovechando la tendencia natural de las bacterias a acumularse en los sitios de la enfermedad.
Para ello, los investigadores utilizaron un tipo de bacteria llamada Magnetospirillum magneticum, que naturalmente produce cadenas de óxido de hierro. Estas partículas magnéticas, conocidas como magnetosomas, ayudan a las bacterias a orientarse y encontrar sus ambientes preferidos.
Los investigadores descubrieron que cuando colocan estas bacterias en el sistema microfluídico y aplican campos magnéticos giratorios en ciertas orientaciones, las bacterias comienzan a girar en sincronía y se mueven en la misma dirección, arrastrando las nanopartículas que se encuentran cerca.
En este caso, los investigadores encontraron que las nanopartículas se introdujeron en el tejido del modelo tres veces más rápido que cuando las nanopartículas se suministraron sin asistencia magnética.
Este método bacteriano podría ser más adecuado para la administración de fármacos en situaciones como un tumor, donde el grupo bacteriano, controlado externamente sin la necesidad de retroalimentación visual, podría generar un flujo en los vasos a lo largo del tumor.
Las partículas que los investigadores utilizaron en este estudio son lo suficientemente grandes como para transportar grandes cargas, incluidos los componentes necesarios para el sistema de edición del genoma CRISPR, dice Bhatia.