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Microrobot batterici: il futuro della robotica per sconfiggere il cancro

Photo by Mulyadi on Unsplash

Batteri modificati con elementi artificiali, controllabili a distanza grazie a campi magnetici: sono in grado di invadere il tessuto tumorale e rilasciare i farmaci a comando.

Dopo aver percorso un lungo e difficile viaggio, un esercito è pronto ad aprire il fuoco contro il nemico, lanciando una schiera di proiettili ad alta velocità e precisione. Il campo di battaglia è il corpo umano, il nemico è un tumore e l’esercito è formato da orde di robot microscopici che hanno “navigato” attraverso i vasi sanguigni per rilasciare i farmaci direttamente all’interno della massa tumorale. Li hanno realizzati i ricercatori del Max Planck Institute for Intelligent Systems in Germania, trasformando i comuni batteri della specie Escherichia coli con elementi artificiali e con un chemioterapico in grado di contrastare il tumore.

Questi batteri-cyborg possono essere guidati a distanza e penetrare anche nella matrice extracellulare dei tumori solidi, che respingono la maggior parte delle terapie e delle cellule immunitarie. I risultati, per ora solo in vitro, sono pubblicati su Science Advances.

Lego esercito dei droni dell'Impero in Star Wars
Photo by Omar Flores on Unsplash

I microrobot per la medicina

Molti tumori solidi sono resistenti alle terapie tradizionali perché si trovano in regioni del corpo umano ad accesso limitato o perché riescono a bloccare l’ingresso dei farmaci o delle cellule del sistema immunitario. Ma possono essere raggiunti da minuscole “navette” cariche di farmaci, in grado di muoversi in maniera autonoma e di consegnare il loro contenuto nel posto giusto e al momento giusto.

In un futuro dal sapore fantascientifico, schiere di questi “microrobot” potrebbero navigare nelle nostre vene e arterie per trasportare i farmaci al bersaglio, ma anche per eseguire biopsie o catturare immagini per la diagnostica e il monitoraggio delle malattie.

Gli studi sui microrobot hanno dato vita a una grande varietà di prototipi. Alcuni somigliano a dei piccoli bruchi, altri hanno la forma di un granchio, di un pesce o di una farfalla. Possono nuotare, strisciare e rotolare: la maggior parte può essere comandata da remoto grazie a campi magnetici esterni, ma alcuni possiedono motori molecolari e sfruttano l’energia liberata dalle reazioni chimiche per nuotare attraverso i fluidi biologici.

Scanning electron micrograph of Escherichia coli

Curare il cancro con i batteri

Un microrobot può essere costituito da componenti cellulari o da soli elementi artificiali, ma può anche essere un mix tra i due. È questo il caso dei microrobot bioibridi realizzati dai ricercatori del Max Planck Institute, che sono a base di batteri della specie Escherichia coli (comunemente presenti nell’intestino umano).

I batteri hanno per loro natura dei sistemi di propulsione che gli permettono di nuotare attraverso i fluidi, come quelli basati sui flagelli, appendici cellulari che ruotano come microscopiche eliche. Possiedono anche una sorta di “bussola” interna, possono cioè cambiare direzione a seconda della presenza di sostanze chimiche nel mezzo – è la chemiotassi, che li aiuta a trovare cibo o ad allontanarsi da sostanze tossiche.

In effetti i batteri sono già usati come trattamento antitumorale per potenziare l’immunoterapia, che sfrutta il sistema immunitario per combattere il cancro. Molti batteri, infatti, hanno la capacità di “colonizzare” i tumori e possono addirittura vivere al loro interno. Ad esempio i batteri anaerobi, che in natura vivono in ambienti poveri di ossigeno, crescono con facilità all’interno della massa tumorale, dove l’ossigeno è scarso e il pH è acido. La presenza dei batteri attiva una risposta immunitaria che distrugge il tumore.

Batteri-cyborg per trasportare i farmaci

I microrobot bioibridi a base di batteri, oltre a muoversi secondo gradienti chimici come le variazioni di ossigeno o pH, possono anche essere comandati da remoto applicando campi magnetici esterni.

Questi moderni cyborg batterici, inoltre, sono piattaforme per il trasporto “intelligente” di farmaci, che sfruttano sistemi a rilascio controllato e programmabile.

I ricercatori del Max Planck Institute hanno equipaggiato i batteri con due elementi artificiali: nanoliposomi e nanoparticelle magnetiche. I primi sono vescicole di grasso che contengono la doxociclina (un chemioterapico) e una sostanza, il verde indocianina (ICG), che assorbe la radiazione infrarossa e la trasforma in calore. La stimolazione con un laser nel vicino infrarosso (NIR), dunque, “scioglie” lo strato lipidico delle vescicole e rilascia il loro contenuto all’esterno. Le seconde, invece, sono nanoparticelle a base di ossido di ferro con proprietà magnetiche.

I nanoliposomi e le nanoparticelle sono stati coniugati alla superficie dei batteri per mezzo del complesso streptavidina-biotina. La streptavidina, una proteina, si unisce alla biotina, una vitamina, con un legame chimico ad alta affinità, formando una “corda” molecolare che lega insieme il corpo del batterio con le due componenti artificiali. Questo metodo di coniugazione, a differenza di altri più “aggressivi”, non interferisce con la motilità del batterio, che nuota alla stessa velocità di prima, e aumenta anzi la sua capacità di penetrare in matrici viscose o gelatinose come quelle che circondano gli organi. Presenta, inoltre, una efficienza maggiore: la percentuale di batteri coniugati sfiora il 90%.

Gli esperimenti in vitro

I batteri, guidati da un magnete esterno, sono stati in grado di muoversi attraverso una rete di canali di diametro via via inferiore (una riproduzione dei vasi sanguigni) nella direzione di uno sferoide tumorale – ossia un modello cellulare tridimensionale del tumore.

In un altro esperimento, i ricercatori hanno guidato i microrobot attraverso una matrice formata da un gel di collagene – simile, appunto, alla matrice extracellulare dei tumori – variando ad ogni compartimento la densità delle fibre di collagene e la porosità del gel. I risultati dimostrano che i batteri hanno effettivamente la capacità di invadere e colonizzare un tessuto biologico con caratteristiche simili a quelle del tumore. I prossimi studi serviranno a capire se i microrobot sono in grado di superare anche la matrice extracellulare di un tumore vero.

L’altro nodo da sciogliere riguarda il sistema immunitario: pur trattandosi di batteri innocui per l’essere umano, sono ancora in grado di attivare una risposta immunitaria potenzialmente dannosa per il paziente.

Ecco perché i microrobot del futuro potranno essere equipaggiati con molecole modulatrici del sistema immunitario o persino essere uccisi con un laser in caso di effetti collaterali gravi.

Cover Photo by Mulyadi on Unsplash

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