Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes

Entrega de medicamentos en el lugar con micronadadores orgánicos controlados por luz

8. Febrero 2022

Científicos del Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes y el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido desarrollan micropartículas orgánicas que pueden dirigir a través de fluidos biológicos y sangre disuelta de maneras sin precedentes. Incluso en líquidos muy salados, los micronadadores pueden ser impulsados hacia adelante a alta velocidad por la luz visible, ya sea individualmente o como un enjambre. Además, son parcialmente biocompatibles y pueden absorber y liberar carga a demanda. Las propiedades del material son tan ideales que podrían allanar el camino hacia el diseño de microrobots semiautónomos aplicados en biomedicina.

Los novelistas de ciencia ficción no podrían haber ideado una trama más loca: microrobots que fluyen a través de la sangre o a través de otros fluidos en nuestro cuerpo y que son impulsados por la luz, pueden llevar medicamentos a las células cancerosas y dejar el medicamento en el lugar. Lo que suena como una fantasía descabellada, es sin embargo, el breve resumen de un proyecto de investigación publicado en la revista Science Robotics. Los micronadadores presentados en el trabajo tienen el potencial de algún día realizar tareas en organismos vivos o entornos biológicos que de otra manera no serían fácilmente accesibles. Mirando aún más adelante, los nadadores tal vez algún día podrían ayudar a tratar el cáncer u otras enfermedades.

Micronadadores de nitruro de carbono cargados de drogas en un entorno celular.  Aumentar imagen
Micronadadores de nitruro de carbono cargados de drogas en un entorno celular. 

En su artículo "Micronadadores de nitruro de carbono impulsados por luz con propulsión en medios biológicos e iónicos y entrega de medicamentos receptivos a demanda", un equipo de científicos del Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes (MPI-IS) y su instituto vecino, el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido (MPI-FKF), demuestran que micropartículas orgánicas se pueden dirigir a través de fluidos biológicos y sangre disuelta de una manera sin precedentes. Incluso en líquidos muy salados, los micronadadores pueden ser impulsados hacia adelante a alta velocidad por la luz visible, ya sea individualmente o como un enjambre. Además, son parcialmente biocompatibles y pueden absorber y liberar carga a demanda. En MPI-IS, participaron científicos del Departamento de Inteligencia Física dirigido por Metin Sitti y en MPI-FKF, científicos del Departamento de Nanoquímica dirigido por Bettina Lotsch.

Diseñar y fabricar micronadadores tan avanzados parecía imposible hasta ahora. La locomoción por la energía de la luz se ve obstaculizada por las sales que se encuentran en el agua o el cuerpo. Esto requiere un diseño sofisticado que es difícil de escalar. Además, controlar los robots desde el exterior es un desafío y, a menudo, costoso. La absorción controlada de carga y la entrega en el lugar es otra disciplina suprema en el campo de la nanorobótica.

Los científicos utilizaron un nitruro de carbono bidimensional poroso (CNx) que se puede sintetizar a partir de materiales orgánicos, por ejemplo, la urea. Al igual que las células solares de un panel fotovoltaico, el nitruro de carbono puede absorber la luz que luego proporciona la energía para impulsar el robot hacia adelante cuando la luz ilumina la superficie de las partículas.

Alta tolerancia iónica

"El uso de la luz como fuente de energía de propulsión es muy conveniente cuando se realizan experimentos en una placa de Petri o para aplicaciones directamente debajo de la piel", dice Filip Podjaski, líder de grupo en el Departamento de Nanoquímica de MPI-FKF. "Solo hay un problema: incluso pequeñas concentraciones de sales prohíben el movimiento controlado por la luz. Las sales se encuentran en todos los líquidos biológicos: en la sangre, fluidos celulares, fluidos digestivos, etc. Sin embargo, hemos demostrado que nuestros micronatadores CNx funcionan en todos los líquidos biológicos, incluso cuando la concentración de iones de sal es muy alta. Esto solo es posible debido a una interacción favorable de diferentes factores: la conversión eficiente de la energía de la luz como fuerza motriz, así como la estructura porosa de las nanopartículas, que permite que los iones fluyan a través de ellas, reduciendo la resistencia creada por la sal, por así decirlo. Además, en este material, la luz favorece la movilidad de los iones, haciendo que la partícula sea aún más rápida".

Después de haber demostrado que los nadadores son tolerantes a la sal, el equipo abordó el desafío de usarlos como portadores de drogas. "Esto también es posible debido a la porosidad del material", explica Varun Sridhar. Es investigador postdoctoral en MPI-IS y el primer autor de la publicación. Él y su equipo cargaron los pequeños poros de los nadadores con el medicamento contra el cáncer Doxorubicina. "Las partículas adsorbieron el medicamento como una esponja, hasta cantidades sin precedentes del 185% de la masa portadora mientras permanecían unidas de manera estable al nitruro de carbono, incluso más de un mes. Luego demostramos que la liberación controlada del fármaco es posible en un líquido con un nivel de pH ácido. Además, pudimos iluminar los micronatadores y así liberar el fármaco, independientemente de un cambio en el pH. E incluso cuando se cargó a plena capacidad, el nadador no disminuyó la velocidad significativamente, lo cual es genial".

La capacidad de liberar la carga de droga controlada y eficientemente en el destino deseado es un desafío. Cuando se encuentra con condiciones ácidas, como las que se encuentran en el estómago, el medicamento se desorbe rápidamente en grandes cantidades. Sin embargo, este escenario típicamente encontrado de cambios drásticos en el pH no se encuentra en otras partes del cuerpo o en entornos biológicos. Por lo tanto, se necesitan otros desencadenantes de liberación externos.

"Descubrimos que la iluminación con luz azul, que permite la propulsión, libera simultáneamente la droga transportada", explica Podjaski. "Esto no siempre se desea para aplicaciones específicas, ya que se produciría una liberación de medicamentos en toda la forma en que se propulsa la partícula. Aquí, entra en juego la capacidad de carga intrínseca de nuestro nuevo nitruro de carbono: cuando se ilumina en entornos agotados de oxígeno (hipóxicos), el material puede cargarse, acumulando la energía de la luz intrínsecamente, similar a una batería solar que hemos informado anteriormente. En tales condiciones hipóxicas, es decir, cuando la partícula se carga, las interacciones con los medicamentos adsorbidos se modifican y la liberación del fármaco se incrementa significativamente, lo que permite una acción eficiente sobre las células. Por lo tanto, la capacidad de carga ligera del material, que está condicionada por condiciones hipóxicas, de repente se convierte en una propiedad de detección para la liberación".

El equipo demostró esta interacción en un experimento con células tumorales reales. En su artículo, los científicos muestran cómo iluminaron las partículas de nitruro de carbono cargadas de doxorrubicina en las cercanías de las células cancerosas, cómo el medicamento es liberado y absorbido por las células, lo que lleva a su descomposición.

"Nuestro trabajo muestra cuánto potencial imprevisto surge del uso de materiales de micropartículas conocidos desde hace mucho tiempo, fácilmente sintetizables, abundantes y porosos, que generalmente están diseñados para aplicaciones en fotocatálisis, como materiales de microrobots", dice Metin Sitti.

"La naturaleza de los materiales orgánicos porosos intrínsecamente permite grandes volúmenes internos y áreas de superficie que dejan mucho espacio para la carga, al tiempo que superan las limitaciones en la propulsión con luz, que de otro modo se encuentran en presencia de iones. Una mayor adaptación de los sitios moleculares podría permitir interacciones de carga más controladas, sin ningún diseño de forma especial o empleo de estructuras de encapsulación, que son difíciles de controlar. Por último, la idea de utilizar cambios de propiedad ambientalmente sensibles que afectan las propiedades de los materiales optoelectrónicos, como lo dan las capacidades intrínsecas de carga fotográfica de nuestro material, parece ser una vía eficiente para diseñar no solo transportistas de carga controlables, sino también semiautónomos ", dice Bettina Lotsch.

Aunque los micronatadores son una visión de futuro y solo funcionarán en las condiciones más óptimas, la investigación básica presentada en el estudio podría allanar el camino hacia materiales controlados por la luz y biocompatibles, así como sistemas semiautónomos inteligentes, con aplicaciones también para otras tecnologías. "Esperamos inspirar a muchas mentes inteligentes a encontrar formas aún mejores de controlar los microrobots y diseñar una función receptiva en beneficio de nuestra sociedad", concluye Sitti.

 
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