Une équipe de scientifiques du département d’intelligence physique de l’Institut Max Planck pour les systèmes intelligents a combiné la robotique avec la biologie en équipant les bactéries E. coli de composants artificiels pour construire des microrobots biohybrides. Tout d’abord, comme on peut le voir sur la figure 1, l’équipe a attaché plusieurs nanoliposomes à chaque bactérie. Sur leur cercle extérieur, ces supports de forme sphérique renferment un matériau (ICG, particules vertes) qui fond lorsqu’il est éclairé par une lumière proche infrarouge. Plus loin vers le milieu, à l’intérieur du noyau aqueux, les liposomes encapsulent des molécules de médicaments chimiothérapeutiques solubles dans l’eau (DOX).
Le deuxième composant que les chercheurs ont attaché à la bactérie est constitué de nanoparticules magnétiques. Lorsqu’elles sont exposées à un champ magnétique, les particules d’oxyde de fer servent de booster à ce micro-organisme déjà très mobile. De cette façon, il est plus facile de contrôler la nage des bactéries – une conception améliorée vers une application in vivo. Pendant ce temps, la corde liant les liposomes et les particules magnétiques à la bactérie est un complexe de streptavidine et de biotine très stable et difficile à rompre, qui a été développé quelques années auparavant et rapporté dans un La nature articleet est utile lors de la construction de microrobots biohybrides.
Les bactéries E. coli sont des nageurs rapides et polyvalents qui peuvent naviguer à travers des matériaux allant des liquides aux tissus très visqueux. Mais ce n’est pas tout, ils disposent également de capacités de détection très avancées. Les bactéries sont attirées par des gradients chimiques tels que de faibles niveaux d’oxygène ou une acidité élevée, tous deux répandus à proximité des tissus tumoraux. Le traitement du cancer en injectant des bactéries à proximité est connu sous le nom de thérapie antitumorale à médiation bactérienne. Les micro-organismes affluent vers l’endroit où se trouve la tumeur, s’y développent et activent ainsi le système immunitaire des patients. La thérapie tumorale médiée par les bactéries est une approche thérapeutique depuis plus d’un siècle.
Au cours des dernières décennies, les scientifiques ont cherché des moyens d’augmenter encore plus les superpuissances de ce micro-organisme. Ils ont équipé les bactéries de composants supplémentaires pour les aider à combattre. Cependant, l’ajout de composants artificiels n’est pas une tâche facile. Des réactions chimiques complexes sont en jeu et le taux de densité des particules chargées sur les bactéries est important pour éviter la dilution. L’équipe de Stuttgart a maintenant placé la barre assez haut. Ils ont réussi à équiper 86 bactéries sur 100 à la fois de liposomes et de particules magnétiques.
Les scientifiques ont montré comment ils avaient réussi à piloter de manière externe une solution aussi dense à travers différents parcours. Tout d’abord, à travers un canal étroit en forme de L avec deux compartiments à chaque extrémité, avec un sphéroïde tumoral dans chacun. Deuxièmement, une configuration encore plus étroite ressemblant à de minuscules vaisseaux sanguins. Ils ont ajouté un aimant permanent supplémentaire sur un côté et ont montré comment ils contrôlent avec précision les microrobots chargés de médicament vers les sphéroïdes tumoraux. Et troisièmement, pour aller encore plus loin, l’équipe a dirigé les microrobots à travers un gel de collagène visqueux (ressemblant à du tissu tumoral) avec trois niveaux de rigidité et de porosité, allant de doux à moyen à rigide. Plus le collagène est rigide, plus le réseau de chaînes de protéines est serré, plus il devient difficile pour les bactéries de trouver un chemin à travers la matrice (Figure 2). L’équipe a montré qu’une fois qu’elles ajoutent un champ magnétique, les bactéries parviennent à naviguer jusqu’à l’autre extrémité du gel car les bactéries ont une force plus élevée. En raison de l’alignement constant, les bactéries ont trouvé un chemin à travers les fibres.
Une fois que les microrobots sont accumulés au point souhaité (le sphéroïde tumoral), un laser proche infrarouge génère des rayons avec des températures allant jusqu’à 55 degrés Celsius, déclenchant un processus de fusion du liposome et une libération des médicaments enfermés. Un faible niveau de pH ou un environnement acide provoque également l’ouverture des nanoliposomes, d’où la libération automatique des médicaments près d’une tumeur.
« Imaginez que nous injecterions de tels microrobots à base de bactéries dans le corps d’un patient atteint de cancer. Avec un aimant, nous pourrions diriger avec précision les particules vers la tumeur. Une fois que suffisamment de microrobots entourent la tumeur, nous pointons un laser sur le tissu et déclenchons ainsi la libération du médicament. Maintenant, non seulement le système immunitaire est déclenché pour se réveiller, mais les médicaments supplémentaires aident également à détruire la tumeur », explique Birgül Akolpoglu, titulaire d’un doctorat. étudiant au Département d’Intelligence Physique au MPI-IS. Elle est la première auteure de la publication intitulée « Microrobots bactériens orientables magnétiquement se déplaçant dans des matrices biologiques 3D pour la livraison de cargaisons réactives aux stimuli » co-dirigée par l’ancien chercheur postdoctoral du département d’intelligence physique, le Dr Yunus Alapan. Il a été publié dans Avancées scientifiques le 15 juillet 2022.
« Cette livraison sur place serait peu invasive pour le patient, indolore, supporterait une toxicité minimale et les médicaments développeraient leur effet là où c’est nécessaire et non à l’intérieur de tout le corps », ajoute Alapan.
« Des microrobots biohybrides à base de bactéries dotés de fonctionnalités médicales pourraient un jour lutter plus efficacement contre le cancer. Il s’agit d’une nouvelle approche thérapeutique pas trop éloignée de la façon dont nous traitons le cancer aujourd’hui », déclare le professeur Metin Sitti, qui dirige le département d’intelligence physique et est le dernier auteur de la publication. « Les effets thérapeutiques des microrobots médicaux dans la recherche et la destruction des cellules tumorales pourraient être substantiels. Notre travail est un excellent exemple de recherche fondamentale qui vise à bénéficier à notre société. »
Mukrime Birgul Akolpoglu et al, Microrobots bactériens orientables magnétiquement se déplaçant dans des matrices biologiques 3D pour une livraison de fret sensible aux stimuli, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abo6163. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo6163