Bubble Bots:Biocompatible Microrobots That Autonomously Navigate to Tumors

ロボティクスとオートメーション インサイダー

The scientists created two different types of bubble bots. Those illustrated at the top of this image are modified with magnetic nanoparticles and directed toward a tumor target with external magnets.一番下に示されているボットは、表面に結合したさまざまな酵素を持ち、化学勾配に従って腫瘍標的を独立して特定します。 (画像:Gao Lab/カリフォルニア工科大学)

マイクロロボットの可能性は計り知れません。これらの小型物体は、バイオマーカーの感知、血栓などの物体の操作、腫瘍部位への薬物療法の送達など、体内でアクションを実行するように設計できます。 But working out how to make the tiny bots effective, biocompatible, and cost effective is challenging. Now a Caltech-led team has taken a huge step toward making the next generation of microrobots for drug delivery.彼らは、マイクロロボットの構造とその製造方法の両方を簡素化しながら、ボットを非常に効果的で、腫瘍に直接誘導できるほど十分に「賢く」しました。

カリフォルニア工科大学と南カリフォルニア大学の科学者チームは、ネイチャー ナノテクノロジー誌の 2 月 2 日号に掲載される論文の中で、バブルボットとマウスの膀胱腫瘍の治療におけるその応用の成功について説明しています。 .

カリフォルニア工科大学の医療工学教授でヘリテージ医学研究所の研究員でもあるウェイ・ガオ氏が率いるチームは、以前、動物モデルで超音波イメージングと磁気誘導を使用して、小型の3Dプリントロボットを腫瘍に届け、そこで生分解して積荷である抗がん剤を放出することができた。これらのマイクロロボットは特殊な機器を備えたクリーンルームで製造され、マイクロバブルを囲むゼリー状ポリマーで作られたヒドロゲルシェルを備えていた。 This shell helped propel the bots and provided excellent imaging contrast to allow researchers to keep track of them within the body.

"We thought, what if we make this even simpler, and just make the bubble itself a robot?"ガオは言いました。 「私たちは泡を簡単に作ることができ、泡が非常に生体適合性であることをすでに知っています。そして、泡を破りたければ、すぐに破ることができます。」

The team developed a method for creating such simple bubble bots.超音波プローブを使用して、BSA (実験室実験でよく使用される標準的な動物タンパク質であるウシ血清アルブミン) で構成される溶液を撹拌し、タンパク質の殻を持つ数千のマイクロバブルを作成しました。

Next, the scientists took advantage of another feature of the protein shell, the abundant amine groups available on the surface.アミン基は炭素-窒素結合を特徴とする原子の集合であり、簡単に化学修飾できます。 By binding to these amine groups, the researchers created two types of microrobots with different ways to control their movements. And anti-cancer drugs such as doxorubicin can successfully bind to the surface of both versions.

The scientists attached the enzyme urease to the surface of both versions of the bubble bots.ウレアーゼはロボットを動かすための小さなエンジンのように機能します。この酵素は、ロボットの一種のバイオ燃料として機能する体中に豊富に存在する老廃物である尿素との反応を触媒し、アンモニアと二酸化炭素を生成します。ウレアーゼは泡の表面に均一に分布していないため、時間の経過とともに、これらの生成物が一方の側ではなくもう一方の側に蓄積します。 That imbalance creates an asymmetric chemical environment around the bubble, generating a net "push" that propels the microrobots forward.

In the first version, the team attached magnetic nanoparticles to the surface of the bubble bots, making them magnetically responsive.ボットの内部のマイクロバブルの超音波画像化の助けを借りて、バブル ボットは外部の磁石で操縦され、体内のターゲットに向かうことができました。

しかし、研究者らはさらに一歩進めたいと考えていました。 「私たちはロボットをより賢くしたかったのです」とガオ氏は語った。腫瘍や炎症は正常な細胞に比べて高濃度の過酸化水素を生成することを知っていたため、研究チームは、カタラーゼと呼ばれる追加の酵素をマイクロロボットの第 2 バージョンの表面に結合させることにしました。カタラーゼは過酸化水素との反応を促進し、水と酸素を生成します。いわゆる走化性挙動により、カタラーゼに結合した泡は自動的に高濃度の過酸化水素に向かって移動し、腫瘍に向かって誘導されます。

「この場合、画像処理は必要ありません。外部制御も必要ありません。ロボットは腫瘍を見つけるのに十分賢いのです」とガオ氏は説明する。 「バブル ロボットの自律的な動きと、過酸化水素の勾配を感知する能力がこの標的化につながります。これを走化性腫瘍標的化と呼んでいます。」

バブルボットが標的に到着すると、科学者は集束超音波を照射してバブルを破裂させ、治療薬を放出します。この強力な破裂作用により、チームが以前に使用していたゆっくりと分解するハイドロゲル ロボットと比較して、腫瘍への薬剤の浸透が促進されます。

科学者らが抗腫瘍治療薬を投与するためにマウスにバブルボットを注射したところ、薬剤を単独で投与したマウスと比較して、21 日間で膀胱腫瘍の重量が約 60% 減少することが観察されました。

「このバブルロボットのプラットフォームはシンプルですが、生体適合性、制御可能な動き、画像誘導、腫瘍の奥深くまで薬剤が浸透するのを助けるオンデマンドのトリガーなど、治療に必要なものが統合されています。私たちの目標は常にマイクロロボットを実際の臨床使用に近づけることであり、このロボット設計はその方向への大きな一歩です。」と論文の筆頭著者であるソンソン・タン氏は述べ、彼はガオ氏の研究室で博士研究員として在任中にこの研究を完成させた。カリフォルニア工科大学。

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