Bubble Bots : des microrobots biocompatibles qui naviguent autonomement vers les tumeurs

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Les scientifiques ont créé deux types différents de bubble bots. Ceux illustrés en haut de cette image sont modifiés avec des nanoparticules magnétiques et dirigés vers une cible tumorale avec des aimants externes. Les bots illustrés en bas ont différentes enzymes liées à la surface et suivent un gradient chimique pour localiser la cible tumorale indépendamment. (Image : Gao Lab/Caltech)

Le potentiel des microrobots est énorme. Ces objets miniatures peuvent être conçus pour effectuer des actions à l'intérieur du corps, telles que la détection de biomarqueurs, la manipulation d'objets comme les caillots sanguins, ou l'administration de thérapies médicamenteuses aux sites tumoraux. Mais déterminer comment rendre ces minuscules bots efficaces, biocompatibles et rentables est un défi. Maintenant, une équipe dirigée par Caltech a fait un énorme pas vers la prochaine génération de microrobots pour l'administration de médicaments. Ils ont simplifié à la fois la structure des microrobots et leur méthode de production, tout en rendant les bots hautement efficaces et assez « intelligents » pour se diriger eux-mêmes vers une tumeur.

L'équipe de scientifiques de Caltech et USC décrit les bubble bots et leur application réussie dans le traitement des tumeurs de la vessie chez la souris dans un article paru dans le numéro du 2 février du journal Nature Nanotechnology.

L'équipe, dirigée par Wei Gao, professeur d'ingénierie médicale à Caltech et chercheur à l'Institut de recherche médicale Heritage, a précédemment utilisé l'imagerie par ultrasons et la guidance magnétique dans un modèle animal pour délivrer des microrobots miniatures imprimés en 3D vers une tumeur où ils pouvaient se biodégrader et libérer leur cargaison : des médicaments anticancéreux. Ces microrobots étaient fabriqués en salle blanche avec un équipement spécialisé et présentaient une coquille d'hydrogel faite d'un polymère gélatineux entourant une microbulle. Cette coquille aidait à propulser les bots et fournissait un excellent contraste d'imagerie pour permettre aux chercheurs de les suivre à l'intérieur du corps.

« Nous nous sommes dit, et si nous rendions cela encore plus simple, et faisions de la bulle elle-même un robot ? » a déclaré Gao. « Nous pouvons fabriquer des bulles facilement et savons déjà qu'elles sont très biocompatibles. Et si vous voulez les faire éclater, vous pouvez le faire immédiatement. »

L'équipe a développé une méthode pour créer de tels bubble bots simples. En utilisant une sonde à ultrasons, ils ont agité une solution composée de BSA (albumine sérique bovine, une protéine animale standard souvent utilisée en expériences de laboratoire) pour créer des milliers de microbulles avec des coquilles protéiques.

Ensuite, les scientifiques ont profité d'une autre caractéristique de la coquille protéique, les groupes amines abondants disponibles en surface. Les groupes amines sont un ensemble d'atomes comportant une liaison carbone-azote, qui peuvent être facilement modifiés chimiquement. En se liant à ces groupes amines, les chercheurs ont créé deux types de microrobots avec différentes façons de contrôler leurs mouvements. Et des médicaments anticancéreux comme la doxorubicine peuvent se lier avec succès à la surface des deux versions.

Les scientifiques ont attaché l'enzyme uréase à la surface des deux versions des bubble bots. L'uréase agit comme un minuscule moteur pour mettre les robots en mouvement. L'enzyme catalyse une réaction avec l'urée, un produit déchet abondant présent dans tout le corps qui sert de sorte de biocarburant pour les robots, produisant de l'ammoniac et du dioxyde de carbone. Comme l'uréase n'est pas uniformément distribuée sur la surface des bulles, au fil du temps, plus de ces produits s'accumuleront d'un côté que de l'autre. Ce déséquilibre crée un environnement chimique asymétrique autour de la bulle, générant une « poussée » nette qui propulse les microrobots vers l'avant.

Dans la première version, l'équipe a attaché des nanoparticules magnétiques à la surface des bubble bots, les rendant magnétiquement réactifs. Avec l'aide de l'imagerie par ultrasons des microbulles intérieures des bots, les bubble bots pouvaient être guidés avec des aimants externes pour se diriger vers une cible à l'intérieur du corps.

Mais les chercheurs voulaient aller plus loin. « Nous voulions rendre les robots plus intelligents », a déclaré Gao. Sachant que les tumeurs et l'inflammation produisent de hautes concentrations de peroxyde d'hydrogène par rapport aux cellules normales, l'équipe a décidé de lier une enzyme supplémentaire appelée catalase à la surface d'une deuxième version des microrobots. La catalase entraîne une réaction avec le peroxyde d'hydrogène, créant de l'eau et de l'oxygène. Par ce qu'on appelle un comportement chimiotactique, les bulles liées à la catalase se déplacent automatiquement vers des concentrations plus élevées de peroxyde d'hydrogène, les dirigeant vers les tumeurs.

« Dans ce cas, vous n'avez besoin d'aucune imagerie ; vous n'avez besoin d'aucun contrôle externe. Le robot est assez intelligent pour trouver la tumeur », explique Gao. « Le mouvement autonome du robot bulle, ensemble avec sa capacité à détecter le gradient de peroxyde d'hydrogène mène à ce ciblage, que nous appelons ciblage tumoral chimiotactique. »

Une fois que les bubble bots arrivent à leur cible, les scientifiques peuvent appliquer des ultrasons focalisés pour faire éclater les bulles, libérant leur cargaison thérapeutique. Cette forte action d'éclatement améliore la pénétration du médicament dans la tumeur par rapport aux robots à hydrogel se dégradant lentement utilisés précédemment par l'équipe.

Lorsque les scientifiques ont injecté des bubble bots chez des souris pour délivrer des thérapeutiques anti-tumorales, ils ont observé une diminution d'environ 60 % du poids des tumeurs de la vessie sur une période de 21 jours, par rapport aux souris ayant reçu le médicament seul.

« Cette plateforme de robot bulle est simple, mais elle intègre ce dont vous avez besoin pour la thérapie : biocompatibilité, mouvement contrôlable, guidage par imagerie et un déclencheur à la demande qui aide le médicament à pénétrer plus profondément dans la tumeur. Notre objectif a toujours été de rapprocher les microrobots d'une utilisation clinique réelle, et cette conception robotique est un grand pas dans cette direction », a déclaré l'auteur principal de l'article, Songsong Tang, qui a réalisé ce travail pendant son temps en tant que chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Gao à Caltech.

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