Водоросли против рака. Как научить микророботов лечить болезнь

Обнаружение и уничтожение больных клеток при сохранении окружающей их здоровой ткани является серьезной проблемой в разработке лекарств. Как отмечает доктор биофизики Фиона Макмиллан в статье для американского Forbes, было бы неплохо, если бы специалистам удалось научить маленьких роботов делать эту работу за них.

Безусловно, такой робот должен быть крошечным, но сегодня это уже не фантастика, а растущая область исследований. Так, недавно специалисты в области наноинженерии из Калифорнийского университета отмечали в статье, опубликованной в журнале Science Robotics, что «последние достижения в области проектирования, изготовления и эксплуатации микро/нанороботов значительно повысили их возможности, функциональность и универсальность».

Однако есть важное «но»: при таких небольших размерах этих устройств в них не остается места для традиционных микросхем или аккумуляторов. У таких роботов также заметно меньше рабочих частей, что обусловлено сложностями в их проектировании.

Во-первых, микро/нанороботы должны иметь некую емкость, в который они могут переносить лекарство. Это может быть наночастица, микрокапсула или же химическая метка, закрепленная на устройстве. Роботу также нужен механизм, способный переносить его через кровоток или живую ткань. Необходима и навигация. Без управляемого движения и навигации — это не «бот», а пассивный носитель, идущий вместе с потоком кровообращения.

Для решения этой проблемы ученые разработали достаточно много роботов на основе наночастиц полимеров и металлов, которые потенциально можно использовать в живых организмах для биовизуализации, диагностики и транспортировки лекарственных средств по организму. В этих устройствах для движения маленьких устройств в организме использовались химические реакции, толкающие бота вперед, акустическое течение (левитация), подобие хвоста сперматозоидов (довольно эффективный биологический двигательный механизм, как отмечают ученые). Спиральное движение в принципе «очень эффективная форма движения» для крошечных организмов, которая позволяет им экономить энергию при наличии поперечных сил внутри жидкости.

Водоросли для борьбы с раком

Теперь команда исследователей из Китайского университета в Гонконге, Эдинбургского университета и Манчестерского университета придумала новый способ доставки лекарств — они превратили водоросль Спирулина платенсис (Spirulina platensis), активно используемую как кормовая добавка, в новый тип биосовместимых микророботов. Соответствующая научная статья опубликована в журнале Science Robotics.

Под микроскопом эти водоросли выглядят как знакомые нам с детства разноцветные «шагающие» пружинки, только растянутые. Их внешний вид обусловлен тем, что водоросли перемещаются в воде с относительно постоянным движением подобно штопору. Теперь Spirulina platensis не только вдохновила дизайн микроботов, но и сама выступила как один из них с несколькими модификациями.

Исследователи покрыли волокна этой водоросли магнетитом и получили спиральные микрочастицы, способные передвигаться под действием магнитного поля даже в вязких жидкостях (в качестве самой вязкой среды использовалось арахисовое масло).

Для генерации поля ученые использовали экспериментальную трехосевую установку с катушками Гельмгольца. Интересно, что в ходе экспериментов для клеток соединительной ткани частицы оказались нетоксичны. При этом в культурах клеток рака шейки матки и печени инкубация с микрочастицами запустила в клетках программу их «самоубийства». Токсичными для раковых клеток, как считают специалисты, оказались биологически активные компоненты водоросли. Вероятно, речь идет пигменте фикоцианин, составляющем до 20% сухого веса водорослей.

Ключевым моментом, по мнению ученых, является «биосовместимость (микророботов) по доступной стоимости», то есть безвредность управляемых устройств для организма. Полная деградация таких устройств происходит в течение часов или дней, в зависимости от толщины магнитного покрытия. В будущем авторы работы намерены усовершенствовать «биогибридную» систему с тем, чтобы она могла использоваться для целевой доставки лекарств.

Как отметил в беседе с Forbes основатель и генеральный директор UNIM Алексей Ремез, вопрос таргетирования химиотерапии крайне актуален.

«Возможность ударить не по всему организму, а лишь по тканям опухоли, приводит не только к повышению эффективности лечения онкологического заболевания, но и к уменьшению побочных эффектов, которые в онкологии являются крайне существенными. До сих пор, в качестве таргетного элемента использовались в основном антитела, на которые «закреплялась» либо молекула яда (как в случае с фармпрепаратами), либо изотоп (радиофармпрепараты в таргетной лучевой терапии). Использование «водорослей» в качестве средства доставки или уничтожения специфичной ткани может быть перспективно», — отметил эксперт.