Biohybrydy w walce z nowotworami
Czy bakteria może wyleczyć nowotwór? Sama może nie, ale co, gdyby zmienić ją w uzbrojoną biohybrydę? Naukowcy z Instytutu Maxa Plancka wykorzystali fakt, że bakteria Escherichia coli chętnie zbliża się w niskotlenowe i kwaśne środowisko nowotworu. Wyposażyli ją w dwa nanokomponenty – jeden pozwala nią sterować i wzmacniać jej możliwości przemieszczania za pomocą pola magnetycznego, a drugi bezpiecznie dostarcza i na miejscu uwalnia leki chemioterapeutyczne.
Zespół naukowców z Physical Intelligence Department w Max Planck Institute for Intelligent Systems połączyli robotykę z biologią, wyposażając bakterię Escherichia coli w sztuczne komponenty, by stworzyć w ten sposób mikrorobotyczną hybrydę. Jej zadanie jest ambitne – ma precyzyjnie docierać do komórek nowotworowych i unieszkodliwiać je na miejscu, bez ingerencji w zdrowe komórki.
Najpierw badacze przyłączyli do każdej bakterii kilka nanoliposomów, które topią się po oświetleniu światłem podczerwonym. Liposomy stanowią obudowę dla wodnego rdzenia, w którym znajdują się rozpuszczalne w wodzie cząsteczki leków chemioterapeutycznych. Kiedy uzbrojona bakteria dociera w pobliże komórek nowotworowych, to kwaśne środowisko powoduje pękanie wierzchniej warstwy, a dodatkowo laser bliskiej podczerwieni generuje promienie o temperaturze 55 stopni Celsjusza i rozpuszcza liposomy, uwalniając lek.
Drugim komponentem, który przyłączono do bakterii były magnetyczne nanocząstki zbudowane z tlenku żelaza. Dzięki nim możliwe jest kontrolowanie i sterowanie przemieszczaniem się tych bardzo ruchliwych bakterii. Oba komponenty zostały powiązane za pomocą streptawidyny i biotyny, bardzo sprawnego i często stosowanego systemu w konstrukcji biohybrydowych mikrorobotów.
Bakteria E. coli była już wcześniej wykorzystywane w terapii nowotworów, ze względu na swoje specyficzne właściwości. E. coli przemieszcza się szybko i potrafi poruszać się po różnorodnych materiałach, może też być względnie łatwo obserwowana. Przede wszystkim jednak tę popularną bakterię przyciągają jak magnez pewne warunki chemiczne, które występują w pobliżu tkanki nowotworowej – niski poziom tlenu i wysoka kwasowość. Właśnie ze względu na te jej specyficzne upodobania, bakteria była wykorzystywana w terapii rakowej od chwili, kiedy zauważono, że chętnie rozwija się w okolicach nowotworów, aktywując tam przy okazji system odpornościowy chorego.
Dlatego już od kilku dekad naukowcy pracują nad tym, żeby dodatkowo uzbroić E. coli i wesprzeć ją w walce z nowotworami. Wyposażenie mikroorganizmu w sztuczne komponenty nie jest jednak łatwym zadaniem. W grę wchodzą złożone reakcje chemiczne i łatwo jest o błąd, który prowadzi do uszkodzenia bakterii lub nieskutecznej „instalacji”. Zespół z Instytutu Maxa Plancka osiągnął w tym względzie bardzo dobry rezultat, bo w przeprowadzonych eksperymentach był w stanie skutecznie wyposażyć 86 procent bakterii zarówno w nanoliposomy jak i magnetyczne cząsteczki.
Badacze nie wdrożyli jeszcze swojego eksperymentu w praktykę medyczną. Na razie – z sukcesem – sprawdzali poza organizmem, na ile są w stanie sterować tak zaprojektowanymi hybrydami. Najpierw przeprowadzili je przez wąski kanał w kształcie litery L, na końcu którego znajdowały się kuliste komponenty zawierające guzy. Później do podobnych komponentów doprowadzili bakterie przez jeszcze węższe układy, przypominające drobne naczynia krwionośne. W trzecim eksperymencie badacze pokazali, że mogą sterować bakteriami i zmusić je do przejścia przez gęsty żel kolagenowy, w swojej kompozycji przypominający komórki nowotworowe. Badacze dowiedli, że dzięki odpowiednio rozmieszczonemu polu magnetycznemu bakterie mają większą siłę i są w stanie przebić się przez środowisko, przez które normalnie nie umiałyby się przedostać.
Badacze liczą teraz na to, że ich wynalazek uda się wprowadzić do użytku medycznego. Zastosowane rozwiązania nie są bardzo odległe od już stosowanych, a wydają się niezwykle skuteczne, stąd nadzieja, że w niedalekiej przyszłości będzie to jedna ze skutecznych metody walki z nowotworami.
Badania: Mukrime Birgul Akolpoglu et al, Magnetically steerable bacterial microrobots moving in 3D biological matrices for stimuli-responsive cargo delivery, Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo6163. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo6163
Opracowano na podstawie artykułu Bacteria-based biohybrid microrobots on a mission to one day battle cancer opublikowanego w serwisie Max Planck Institute for Intelligent Systems
