Científicos han dado un paso más en el desarrollo de nanorrobots. Se trata de objetos en miniatura que pueden realizar acciones dentro del organismo, como detectar biomarcadores, manipular objetos como coágulos sanguíneos o administrar fármacos en tumores.
El desarrollo de micro y nanorrobots ha incrementado la demanda de máquinas inteligentes multifuncionales en aplicaciones biomédicas. Estos objetos en miniatura pueden diseñarse para realizar acciones dentro del organismo, como detectar biomarcadores, manipular objetos como coágulos sanguíneos o administrar fármacos en tumores. Sin embargo, lograr que estos diminutos robots sean eficaces, biocompatibles y rentables representa, a día de hoy, todo un desafío.
Al respecto, investigadores de la Universidad del Sur y del Instituto Tecnológico, ambos de California (EEUU) han desarrollado robots de microburbujas enzimáticas que presentan movimiento direccional, biodegradabilidad mejorada, alto contraste en imágenes in vivo y una eficaz focalización y penetración en focos de enfermedad.
El equipo, dirigido por Wei Gao, profesor de ingeniería médica en Caltech e investigador del Heritage Medical Research Institute, utilizó previamente imágenes de ultrasonido y guía magnética en un modelo animal para introducir robots en miniatura impresos en 3D en un tumor, donde podrían biodegradarse y liberar su carga: medicamentos contra el cáncer.
Estos microrrobots se fabricaron en una sala limpia con equipo especializado, contando con una carcasa de hidrogel hecha de un polímero gelatinoso que rodeaba una microburbuja. Esta carcasa ayudó a propulsar los robots y proporcionó un excelente contraste de imagen para que los investigadores pudieran rastrearlos dentro del organismo.
El equipo desarrolló un método para crear estos sencillos robots de burbujas. Utilizando una sonda de ultrasonido, agitaron una solución de BSA (albúmina sérica bovina, una proteína animal estándar que se utiliza a menudo en experimentos de laboratorio) para crear miles de microburbujas con envolturas proteicas.
A continuación, los científicos aprovecharon otra característica de la capa proteica: la abundancia de grupos amino presentes en su superficie. Los grupos amino son un conjunto de átomos con un enlace carbono-nitrógeno que se pueden modificar químicamente fácilmente. Al unirse a estos grupos amino, los investigadores crearon dos tipos de microrrobots con diferentes formas de controlar sus movimientos. Además, medicamentos contra el cáncer, como la doxorrubicina, pueden unirse con éxito a la superficie de ambas versiones.
Los científicos adhirieron la enzima ureasa a la superficie de ambas versiones de los robots burbuja. La ureasa actúa como un pequeño motor que impulsa a los robots. La enzima cataliza una reacción con la urea, un desecho abundante presente en todo el cuerpo y que sirve como biocombustible para los robots, produciendo amoníaco y dióxido de carbono. Debido a que la ureasa no se distribuye uniformemente en la superficie de las burbujas, con el tiempo, se acumulan más de estos productos en un lado que en el otro. Este desequilibrio crea un entorno químico asimétrico alrededor de la burbuja, generando un impulso neto que impulsa a los microrrobots hacia adelante.
Sin embargo, los investigadores pretendían ir más allá. «Queríamos que los robots fueran más inteligentes», afirmó el prof. Gao. Sabiendo que los tumores y la inflamación producen altas concentraciones de peróxido de hidrógeno en comparación con las células normales, el equipo decidió unir una enzima adicional llamada catalasa a la superficie de una segunda versión de los microrrobots. La catalasa impulsa una reacción con el peróxido de hidrógeno, creando agua y oxígeno. Mediante lo que se conoce como comportamiento quimiotáctico, las burbujas unidas a la catalasa se mueven automáticamente hacia concentraciones más altas de peróxido de hidrógeno, dirigiéndolas hacia los tumores.
«En este caso, no se necesitan imágenes ni control externo. El robot es lo suficientemente inteligente como para encontrar el tumor», según el prof. Gao. «El movimiento autónomo del robot burbuja, junto con su capacidad para detectar el gradiente de peróxido de hidrógeno, permite esta focalización, que denominamos focalización tumoral quimiotáctica», agregó.
Una vez que los robots de burbujas llegan a su objetivo, los científicos pueden aplicar ultrasonido focalizado para reventar las burbujas y liberar su carga terapéutica. Esta potente acción de reventado mejora la penetración del fármaco en el tumor, en comparación con los robots de hidrogel de degradación lenta utilizados anteriormente por el equipo.
En definitiva, según explicó el autor principal del artículo, Songsong Tang, «esta plataforma de robot burbuja es sencilla, pero integra lo necesario para la terapia: biocompatibilidad, movimiento controlable, guía por imágenes y un disparador a demanda que ayuda al fármaco a penetrar más profundamente en el tumor. Nuestro objetivo siempre ha sido acercar los microrrobots al uso clínico real, y este diseño robótico es un gran paso en esa dirección».