Bubble Bots :des microrobots biocompatibles qui naviguent de manière autonome vers les tumeurs

Robotique et automatisation INSIDER

Les scientifiques ont créé deux types différents de robots à bulles. Celles illustrées en haut de cette image sont modifiées avec des nanoparticules magnétiques et dirigées vers une cible tumorale avec des aimants externes. Les robots illustrés en bas ont différentes enzymes liées à la surface et suivent un gradient chimique pour localiser indépendamment la cible tumorale. (Image :Laboratoire Gao/Caltech)

Le potentiel des microrobots est énorme. Ces objets miniatures peuvent être conçus pour effectuer des actions dans le corps, telles que la détection de biomarqueurs, la manipulation d'objets tels que des caillots sanguins ou l'administration de médicaments sur des sites tumoraux. Mais il est difficile de trouver comment rendre ces minuscules robots efficaces, biocompatibles et rentables. Aujourd’hui, une équipe dirigée par Caltech a fait un grand pas en avant vers la création de la prochaine génération de microrobots destinés à l’administration de médicaments. Ils ont simplifié à la fois la structure des microrobots et leur méthode de production, tout en rendant les robots très efficaces et suffisamment « intelligents » pour se diriger vers une tumeur.

L'équipe de scientifiques de Caltech et de l'USC décrit les robots à bulles 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 de la revue Nature Nanotechnology. .

L’équipe, dirigée par Wei Gao, professeur de génie médical à Caltech et chercheur à l’Heritage Medical Research Institute, a déjà utilisé l’imagerie par ultrasons et le guidage magnétique sur un modèle animal pour administrer des robots miniatures imprimés en 3D sur une tumeur où ils pourraient se biodégrader et libérer leur cargaison :des médicaments anticancéreux. Ces microrobots ont été fabriqués dans une salle blanche avec un équipement spécialisé et comportaient une coque d'hydrogel constituée d'un polymère gélatineux entourant une microbulle. Cette coque a aidé à propulser les robots et a fourni un excellent contraste d'imagerie pour permettre aux chercheurs de les suivre dans le corps.

"Nous avons pensé :et si nous rendions cela encore plus simple et faisions simplement de la bulle elle-même un robot ?" dit Gao. "Nous pouvons faire 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 des robots à bulles aussi simples. À l'aide d'une sonde à ultrasons, ils ont agité une solution composée de BSA (albumine sérique bovine, une protéine animale standard souvent utilisée dans les expériences en laboratoire) pour produire des milliers de microbulles avec des coques protéiques.

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

Les scientifiques ont fixé l’enzyme uréase à la surface des deux versions des robots à bulles. L'uréase agit comme un petit moteur pour faire bouger les robots. L'enzyme catalyse une réaction avec l'urée, un 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. Étant donné que l’uréase n’est pas uniformément répartie à la surface des bulles, au fil du temps, davantage de ces produits s’accumuleront d’un côté plutôt 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 robots à bulles, les rendant magnétiquement réactifs. Grâce à l'imagerie échographique des microbulles intérieures des robots, les robots bulles pourraient être dirigés avec des aimants extérieurs pour se diriger vers une cible à l'intérieur du corps.

Mais les chercheurs ont voulu aller plus loin. "Nous voulions rendre les robots plus intelligents", a déclaré Gao. Sachant que les tumeurs et l’inflammation produisent des concentrations élevées 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 provoque une réaction avec le peroxyde d'hydrogène, créant de l'eau et de l'oxygène. Grâce à ce que l'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 suffisamment intelligent pour trouver la tumeur", explique Gao. "Le mouvement autonome du robot bulle, ainsi que sa capacité à détecter le gradient de peroxyde d'hydrogène, conduisent à ce ciblage, que nous appelons ciblage chimiotactique des tumeurs."

Une fois que les robots bulles atteignent leur cible, les scientifiques peuvent appliquer des ultrasons focalisés pour faire éclater les bulles, libérant ainsi leur cargaison thérapeutique. Cette forte action d'éclatement améliore la pénétration du médicament dans la tumeur par rapport aux robots hydrogels à dégradation lente précédemment utilisés par l'équipe.

Lorsque les scientifiques ont injecté des robots à bulles à des souris pour administrer des traitements antitumoraux, 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 plate-forme de robot à bulles est simple, mais elle intègre ce dont vous avez besoin pour la thérapie :biocompatibilité, mouvements contrôlables, guidage par imagerie et 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 terminé le travail alors qu'il était chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Gao à Caltech.

Source