Come minuscoli robot a propulsione microbica potrebbero rilasciare molecole nei nostri corpi

Progressi sempre più evidenti per il rilascio di molecole nel corpo. Si parte dal batterio Escherichia coli, il quale si muove con strutture simili a eliche chiamate flagelli; è uno dei microbi mobili che gli scienziati hanno collegato alle nuove ingegnerizzazioni per il trasporto di molecole nell’organismo.

Non tutte le idee nascono per caso

Nell’universo di Doctor Who della TV, gli avversari più spaventosi sono le forme di vita organiche robotiche ibride conosciute come i Daleks.

Ogni Dalek è un essere vivente racchiuso in un guscio robotizzato dotato di armi letali, spesso impiegato per terrorizzare Londra, altre città o interi pianeti. Pensate che questo sia spaventoso? Allora provate a immaginare nanoDaleks, troppo piccoli per essere visti, che corrono veloci all’interno del corpo, ognuno dei quali con l’obbiettivo di “Sterminare!”

Non è del tutto inverosimile. Gli scienziati stanno realmente sviluppando qualcosa di sorprendentemente simile. Ma l’idea non è quella di invadere e conquistare, piuttosto di curare o guarire.

La versione reale del sottomarino di Asimov

Se questo non è ancora ben chiaro o è troppo difficile da immaginare, allora provate a pensare ad una versione reale di Fantastic Voyage, il film del 1966 romanzato da Isaac Asimov.

Qui gli scienziati hanno ridotto un sottomarino (con persone all’interno) delle dimensioni di un microbo, consentendo agli umani di viaggiare nel cervello di uno scienziato con un coagulo di sangue potenzialmente letale. Nella versione odierna di questo racconto, gli scienziati stanno combinando microbi viventi con un apparato aggiuntivo per il trasporto di sostanze.

Questi “microrobot biologici ibridi” potrebbero distribuire farmaci per combattere le malattie, attaccare i tumori o svolgere altre utili funzioni.

I ricercatori dovranno aggirare numerosi ostacoli tecnici prima che i microrobots diventino una procedura operativa standard. Ma la prospettiva non è neanche del tutto ipotetica. I ricercatori hanno infatti già progettato e costruito diverse versioni di microrobots ibridi in grado di navigare nel mondo cellulare.

Una libreria di idee

Nell’ultimo decennio, vari microrganismi e trasportatori artificiali sono stati integrati per sviluppare microrobots bioibridi unici che potessero nuotare o strisciare all’interno del corpo.

Esperimenti in provette, dati di laboratorio o animali hanno dimostrato, ad esempio, che i robots bioibridi possono essere guidati da campi magnetici, impulsi di luce o dalle proprietà chimiche dei loro dintorni per distribuire farmaci nella zona desiderata.

Tali ibridi mobili potrebbero anche manipolare le interazioni cellulari o generare calore per indurre altri effetti benefici dal punto di vista medico. Tutti gli ibridi hanno in comune l’idea di combinare un microbo mobile, uno che può strisciare o nuotare, con una struttura che può trasportare sostanze come farmaci o altro.

A differenza dei Daleks, che sembrano quasi tutti uguali, i microrobots ibridi possono essere costruiti da un repertorio diversificato di microrganismi mobili. I ricercatori hanno anche progettato una libreria di trasportatori artificiali realizzati con materiali diversi, con dimensioni e forme diverse, che possono collegarsi ai microrganismi senza ucciderli.

Tale diversità è necessaria perché nessun tipo di microrobot sarebbe adatto a tutti i tipi di casi.

Non esiste una ricetta unica per lo sviluppo del microrobot bioibrido ideale, poiché le prestazioni e le funzionalità richieste dipendono fortemente dall’applicazione specifica.

I ricercatori hanno studiato vari design e metodi di fabbricazione per “attaccare i microbi a una nave cargo”. In un approccio, le cariche elettriche naturali possono legare i due elettrostaticamente; il batterio Serratia marcescens, ad esempio, porta una carica positiva che gli consente di legarsi a un supporto costituito da particelle di plastica di polistirene caricate negativamente.

In alcuni casi una singola struttura di carico è spinta da più microbi; in altri casi uno o due microbi da soli possono guidare il micro-braccio di rilascio del farmaco. E nel design più simile a Dalek, il microbo è intrappolato all’interno della struttura che trasporta il farmaco.

I microrobots bio-ibridi combinano microrganismi mobili con strutture portanti per fornire farmaci o svolgere altre utili funzioni nel corpo. I ricercatori stanno esplorando l'uso di molteplici microbi diversi per la propulsione e vari tipi di strutture di carico; il successo richiede la ricerca di metodi efficaci per unire il microbo con il micro-braccio trasportatore e metodi efficaci per guidare il robot ibrido, come campi magnetici, impulsi di luce o segnali chimici nell'ambiente del robot
Figura 1 – I microrobots bio-ibridi combinano microrganismi mobili con strutture portanti per fornire farmaci o svolgere altre utili funzioni nel corpo. I ricercatori stanno esplorando l’uso di molteplici microbi diversi per la propulsione e vari tipi di strutture di carico; il successo richiede la ricerca di metodi efficaci per unire il microbo con il micro-braccio trasportatore e metodi efficaci per guidare il robot ibrido, come campi magnetici, impulsi di luce o segnali chimici nell’ambiente del robot. (Y. Alapan et al / AR Control, Robotics e Autonomous Systems 2018)

Le doti nascoste che portano al successo

Tutti questi progetti sfruttano la capacità dei microrganismi, come batteri o alghe, di nuotare o strisciare attraverso ambienti biologici. Questi microbi si auto-propellono consumando energia chimica dall’ambiente circostante per guidare i “motori molecolari”.

I batteri nuotano verso il cibo, ad esempio, attraverso macchinari molecolari che ruotano le sporgenze simili a eliche note come flagelli. Una diversa forma di movimento flagellare guida lo sperma nella loro ricerca per fecondare le uova. Altri microrganismi viaggiano usando il movimento ameboide, spinti dalla flessione dei loro scheletri cellulari, costruiti dalla proteina actina. Mentre il suo scheletro si flette, le sporgenze dalla membrana di una cellula si agganciano alle superfici circostanti per avanzare.

I microbi mobili possono muoversi rapidamente attraverso il corpo, avere la capacità di interagire con le cellule del corpo e sono abbastanza piccoli da farsi strada attraverso i passaggi più piccoli del corpo, come i capillari nel sistema circolatorio.

Tali vantaggi rendono i microrobots cellulari bioibridi candidati interessanti per applicazioni mediche, compresa la distribuzione mirata di farmaci.

La velocità è soddisfacente?

La velocità di nuoto di E. coli attraverso l’acqua è di circa mezzo miglio all’anno (e forse non così veloce nei fluidi biologici). Alcuni globuli bianchi strisciano più come un miglio al secolo. Ma all’interno delle loro microscopiche Olimpiadi, tali velocità sono impressionanti. E. coli può attraversare 15 volte la propria lunghezza del corpo al secondo, l’equivalente di un essere umano che percorre il tratto da 100 metri in poco più di tre secondi, facendo sembrare Usain Bolt una tartaruga.

La velocità non è l’unico problema. È essenziale anche una sterzata precisa.

In alcuni progetti, lo “sterzo” si basa sulla capacità del microbo di percepire la chimica del suo ambiente. Un aspetto interessante del controllo chimico è la disponibilità di un’ampia varietà di segnali chimici rilasciati localmente da cellule o tessuti mirati.

Quali le problematiche?

Pur offrendo molte caratteristiche desiderabili, i microrobots ibridi pongono alcuni problemi. Le considerazioni mediche e ingegneristiche devono fondersi in modo da rendere i robot affidabili e sicuri. Le strutture che trasportano farmaci devono essere realizzate con materiali che non scatenino attacchi da parte del sistema immunitario del corpo, ad esempio.

Per questo motivo, anche i portatori non devono essere tossici per i microbi che li spingono. E in qualche modo i bracci-corrieri devono essere smaltiti in modo sicuro al termine del loro lavoro. Un approccio consiste nel caricare il microrobot con sensori che possono essere attivati ​​dalla luce infrarossa per generare abbastanza calore da degradare il robot a comando.

Inoltre, è improbabile che qualsiasi intervento medico possa essere realizzato con successo con un singolo microbot ibrido. Quindi le tecniche devono essere ideate per controllare e coordinare il movimento e le azioni di interi “sciami di robot”.

L’uso dei microrobots bioibridi in medicina presenta ancora molte sfide. Progettare la ricerca per affrontare tali sfide in stretta collaborazione con i ricercatori medici migliorerebbe e accelererebbe in modo significativo tutto il processo di ideazione per uso medico.

Alice Marcantonio

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