Uma equipe de cientistas do Departamento de Inteligência Física do Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes combinou robótica com biologia equipando bactérias E. coli com componentes artificiais para construir microrrobôs biohíbridos. Primeiro, como pode ser visto na Figura 1, a equipe anexou vários nanolipossomas a cada bactéria. Em seu círculo externo, esses transportadores de formato esférico envolvem um material (ICG, partículas verdes) que derrete quando iluminado por luz infravermelha próxima. Mais para o meio, dentro do núcleo aquoso, os lipossomas encapsulam moléculas de drogas quimioterapêuticas solúveis em água (DOX).
O segundo componente que os pesquisadores ligaram à bactéria são as nanopartículas magnéticas. Quando expostas a um campo magnético, as partículas de óxido de ferro servem como um reforço para esse microrganismo já altamente móvel. Desta forma, é mais fácil controlar a natação de bactérias - um design aprimorado para uma aplicação in vivo. Enquanto isso, a corda que liga os lipossomas e partículas magnéticas à bactéria é um complexo de estreptavidina e biotina muito estável e difícil de quebrar, que foi desenvolvido alguns anos antes e relatado em uma Nature artigo, e é útil na construção de microrrobôs biohíbridos.

As bactérias E. coli são nadadoras rápidas e versáteis que podem navegar por materiais que variam de líquidos a tecidos altamente viscosos. Mas isso não é tudo, eles também possuem recursos de detecção altamente avançados. As bactérias são atraídas por gradientes químicos, como baixos níveis de oxigênio ou alta acidez – ambos prevalentes perto do tecido tumoral. O tratamento do câncer injetando bactérias nas proximidades é conhecido como terapia tumoral mediada por bactérias. Os microrganismos fluem para onde o tumor está localizado, crescem ali e assim ativam o sistema imunológico dos pacientes. A terapia tumoral mediada por bactérias tem sido uma abordagem terapêutica por mais de um século.

Nas últimas décadas, os cientistas procuraram maneiras de aumentar ainda mais os superpoderes desse microrganismo. Eles equiparam as bactérias com componentes extras para ajudar na batalha. No entanto, adicionar componentes artificiais não é tarefa fácil. Reações químicas complexas estão em jogo, e a taxa de densidade das partículas carregadas nas bactérias é importante para evitar a diluição. A equipe em Stuttgart agora elevou bastante a fasquia. Eles conseguiram equipar 86 de 100 bactérias com lipossomas e partículas magnéticas.

Os cientistas mostraram como conseguiram direcionar externamente uma solução de alta densidade por diferentes cursos. Primeiro, através de um canal estreito em forma de L com dois compartimentos em cada extremidade, com um esferóide tumoral em cada. Em segundo lugar, uma configuração ainda mais estreita, assemelhando-se a pequenos vasos sanguíneos. Eles adicionaram um ímã permanente extra em um lado e mostraram como eles controlam com precisão os microrrobôs carregados de drogas em direção aos esferóides do tumor. E terceiro – indo um passo adiante – a equipe guiou os microrrobôs através de um gel de colágeno viscoso (semelhante ao tecido tumoral) com três níveis de rigidez e porosidade, variando de macio a médio a rígido. Quanto mais rígido o colágeno, mais apertada a teia de cadeias de proteínas, mais difícil se torna para as bactérias encontrarem um caminho através da matriz (Figura 2). A equipe mostrou que, uma vez que adicionam um campo magnético, as bactérias conseguem navegar até a outra extremidade do gel, pois as bactérias tinham uma força maior. Por causa do alinhamento constante, as bactérias encontraram um caminho através das fibras.

Uma vez que os microrrobôs estão acumulados no ponto desejado (o esferóide do tumor), um laser próximo do infravermelho gera raios com temperaturas de até 55 graus Celsius, desencadeando um processo de fusão do lipossoma e liberação das drogas contidas. Um baixo nível de pH ou ambiente ácido também faz com que os nanolipossomas se abram – portanto, as drogas são liberadas automaticamente perto de um tumor.

"Imagine que injetaríamos esses microrrobôs baseados em bactérias no corpo de um paciente com câncer. Com um ímã, poderíamos direcionar com precisão as partículas em direção ao tumor. Uma vez que microrrobôs suficientes cercam o tumor, apontamos um laser para o tecido e, assim, acionamos a liberação da droga. Agora, não apenas o sistema imunológico é acionado para acordar, mas as drogas adicionais também ajudam a destruir o tumor", diz Birgül Akolpoglu, Ph.D. estudante do Departamento de Inteligência Física do MPI-IS. She is the first author of the publication titled "Magnetically steerable bacterial microrobots moving in 3D biological matrices for stimuli-responsive cargo delivery" co-led by former postdoctoral researcher in the Physical Intelligence Department, Dr. Yunus Alapan. It was published in Science Advances on July 15, 2022.

"This on-the-spot delivery would be minimally invasive for the patient, painless, bear minimal toxicity and the drugs would develop their effect where needed and not inside the entire body," Alapan adds.

"Bacteria-based biohybrid microrobots with medical functionalities could one day battle cancer more effectively. It is a new therapeutic approach not too far away from how we treat cancer today," says Prof. Dr. Metin Sitti, who leads the Physical Intelligence Department and is the last author of the publication. "The therapeutic effects of medical microrobots in seeking and destroying tumor cells could be substantial. Our work is a great example of basic research that aims to benefit our society." + Explorar mais

Magnetic bacteria as micropumps