Ingenieros del MIT han diseñado diminutos robots que pueden ayudar a las nanopartículas que transportan fármacos a salir del torrente sanguíneo y llegar a un tumor o a otra zona afectada por una enfermedad. Como las naves de «Viaje alucinante» —una película de ciencia ficción de la década de 1960 en la que la tripulación de un submarino se encoge y recorre el cuerpo para reparar células dañadas—, los robots nadan por el torrente sanguíneo y crean una corriente que arrastra consigo las nanopartículas.
Los microrrobots magnéticos, inspirados en la propulsión bacteriana, podrían ayudar a superar uno de los mayores obstáculos para administrar fármacos mediante nanopartículas: lograr que las partículas salgan de los vasos sanguíneos y se acumulen en el lugar adecuado.
«Cuando se introducen nanomateriales en el torrente sanguíneo y se dirigen a tejidos enfermos, la mayor barrera para que esa carga llegue al tejido es el revestimiento del vaso sanguíneo», afirma Sangeeta Bhatia, profesora John y Dorothy Wilson de Ciencias y Tecnología de la Salud e Ingeniería Eléctrica e Informática, miembro del Instituto Koch para la Investigación Integral del Cáncer del MIT y del Instituto de Ingeniería y Ciencia Médicas, y autora principal del estudio.
«Nuestra idea era averiguar si se puede utilizar el magnetismo para crear fuerzas en el fluido que empujen las nanopartículas hacia el tejido», añade Simone Schuerle, antigua investigadora posdoctoral del MIT y autora principal del artículo, publicado en el número del 26 de abril de Science Advances.
En el mismo estudio, los investigadores también demostraron que podían lograr un efecto similar utilizando enjambres de bacterias vivas que son magnéticas de forma natural. Según los investigadores, cada uno de estos métodos podría ser adecuado para distintos tipos de administración de fármacos.
Diminutos robots
Schuerle, ahora profesora adjunta en la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH Zurich), comenzó a trabajar con diminutos robots magnéticos cuando era estudiante de posgrado en el Laboratorio de Robótica Multiescala de Brad Nelson, en la ETH Zurich. Cuando se incorporó al laboratorio de Bhatia como investigadora posdoctoral en 2014, empezó a estudiar si este tipo de robot podía hacer más eficiente la administración de fármacos mediante nanopartículas.
En la mayoría de los casos, los investigadores dirigen las nanopartículas a zonas afectadas por enfermedades rodeadas de vasos sanguíneos «permeables», como ocurre con los tumores. Esto facilita que las partículas lleguen al tejido, pero el proceso de administración todavía no es tan eficaz como debería.
El equipo del MIT decidió explorar si las fuerzas generadas por robots magnéticos podrían ofrecer una forma mejor de empujar las partículas fuera del torrente sanguíneo y hacia la zona objetivo.
Los robots que Schuerle utilizó en este estudio miden 35 centésimas de milímetro de largo, un tamaño similar al de una célula, y pueden controlarse mediante la aplicación de un campo magnético externo. Este robot bioinspirado, al que los investigadores llaman «flagelo bacteriano artificial», consta de una diminuta hélice que se parece a los flagelos que muchas bacterias utilizan para impulsarse. Estos robots se imprimen en 3D con una impresora 3D de alta resolución y luego se recubren de níquel, lo que les confiere magnetismo.
Para probar la capacidad de un solo robot de controlar las nanopartículas cercanas, los investigadores crearon un sistema microfluídico que imita los vasos sanguíneos que rodean los tumores. El canal del sistema, de entre 50 y 200 micras de ancho, está recubierto de un gel con orificios que simulan los vasos sanguíneos dañados que se observan cerca de los tumores.
Con imanes externos, los investigadores aplicaron campos magnéticos al robot, haciendo que la hélice girara y nadara por el canal. Como el fluido circula por el canal en dirección opuesta, el robot permanece inmóvil y crea una corriente de convección que empuja partículas de poliestireno de 200 nanómetros hacia el tejido modelo. Estas partículas penetraron el doble de profundidad en el tejido que las nanopartículas administradas sin ayuda del robot magnético.
Este tipo de sistema podría incorporarse a los stents, que permanecen inmóviles y serían fáciles de dirigir con un campo magnético aplicado desde el exterior. Según Bhatia, este método podría servir para administrar fármacos que ayuden a reducir la inflamación en el lugar donde se encuentra el stent.
Enjambres de bacterias
Los investigadores también desarrollaron una variante de este método que recurre a enjambres de bacterias magnetotácticas naturales en lugar de microrrobots. Bhatia ya había desarrollado bacterias que pueden utilizarse para administrar fármacos contra el cáncer y para diagnosticar el cáncer, aprovechando la tendencia natural de las bacterias a acumularse en las zonas afectadas por enfermedades.
Para este estudio, los investigadores utilizaron un tipo de bacteria llamada Magnetospirillum magneticum, que produce de forma natural cadenas de óxido de hierro. Estas partículas magnéticas, conocidas como magnetosomas, ayudan a las bacterias a orientarse y a encontrar los entornos que prefieren.
Los investigadores descubrieron que, al introducir estas bacterias en el sistema microfluídico y aplicar campos magnéticos rotatorios con ciertas orientaciones, las bacterias empezaban a girar al unísono y a moverse en la misma dirección, arrastrando las nanopartículas cercanas. En este caso, los investigadores observaron que las nanopartículas llegaban al tejido modelo tres veces más rápido que cuando se administraban sin ayuda magnética.
Este método bacteriano podría ser más adecuado para administrar fármacos en situaciones como la de un tumor, donde el enjambre, controlado desde el exterior sin necesidad de retroalimentación visual, podría generar fuerzas en el fluido de los vasos de todo el tumor.
Según Bhatia, las partículas que los investigadores utilizaron en este estudio son lo bastante grandes para transportar cargas considerables, incluidos los componentes necesarios para el sistema de edición genómica CRISPR. Ahora planea colaborar con Schuerle para seguir desarrollando ambos métodos magnéticos y probarlos en modelos animales.
