Microrrobots burbuja contra tumores cancerosos

Unos nuevos microrrobots, capaces de desplazarse por el interior del cuerpo humano, prometen ser capaces de destruir tumores cancerosos con gran eficacia.

Cuanto más pequeño es un robot, mayor es su capacidad de adentrarse por espacios pequeños, incluyendo espacios del interior del cuerpo humano como arterias. Pero cuanto mayor es esa miniaturización, mayores son también las limitaciones de tamaño, e indirectamente de sofisticación, del equipamiento con el que se puede dotar al microrrobot. Eso obliga a recurrir a diseños que no son los típicos de los robots de tamaños convencionales. Otro desafío que obliga a buscar diseños especiales es la necesidad de que tales robots sean biocompatibles. Además de todos esos requisitos, el uso de robots tan pequeños suele obligar a emplear una gran cantidad de ellos para lograr efectos significativos, lo que exige hallar formas viables de producirlos en grandes cantidades, algo que a su vez también suele exigir estrategias de producción muy distintas de las convencionales. De entre los enfoques de diseño alternativos que se emplean para cumplir con todos esos requisitos, muchos se adentran en el campo de la bioquímica, que es un terreno prácticamente inexplorado para la robótica.

Ahora, un equipo integrado, entre otros, por Wei Gao y Songsong Tang, del Instituto Tecnológico de California (Caltech) en Estados Unidos, ha dado un gran paso hacia la creación de la próxima generación de microrrobots para la administración intracorporal de fármacos. Estos investigadores han simplificado tanto la estructura como el método de fabricación de los microrrobots, logrando que sean muy eficaces y lo bastante “inteligentes” como para desplazarse por su propia cuenta hacia un tumor.

En experimentos anteriores, Gao y sus colegas usaron microrrobots fabricados mediante impresión 3D y guiados por campos magnéticos a partir de información de navegación obtenida mediante escaneos ultrasónicos. Esos microrrobots eran guiados hasta un tumor donde se biodegradaban y ello hacía que se liberase su carga: medicamentos contra el cáncer. Estos microrrobots se fabricaron en una sala blanca con equipamiento especializado. Una parte clave de su proceso de fabricación era envolverlos con una cáscara hecha de un polímero gelatinoso que rodeaba una microburbuja. Esta cáscara dotaba de capacidad propulsiva a los robots y también los hacía más visibles, ayudando esto último a que los investigadores pudieran rastrearlos dentro del cuerpo.

Gao y sus colegas se propusieron simplificar el diseño y surgió la idea de convertir a la propia burbuja en un robot. Eso además permitiría que se liberasen los fármacos más fácilmente: en vez de esperar a que el proceso de biodegradación hiciera efecto, bastaría con hacer reventar la burbuja.

El equipo desarrolló un método, básicamente químico, para crear estos microrrobots burbuja, equipados con carcasas proteicas, de forma sencilla y en grandes cantidades.

Microrrobot burbuja. (Foto: Gao Lab / Caltech)

El equipo también se benefició de otra característica de la carcasa proteica: la abundancia de grupos amina en su superficie. Los grupos amina son conjuntos de átomos con un enlace carbono-nitrógeno que se pueden modificar químicamente con bastante facilidad. Gracias a estos grupos amina, los investigadores crearon dos tipos de microrrobots con diferentes formas de controlar sus movimientos. Además, medicamentos contra el cáncer, como la doxorrubicina, pueden unirse con éxito a la superficie de ambas versiones.

Gao y sus colegas adhirieron la enzima ureasa a la superficie de ambas versiones de los microrrobots burbuja. La ureasa actúa como un pequeño motor que impulsa el movimiento de estos robots. La enzima cataliza una reacción con la urea, un desecho abundante presente en todo el cuerpo que sirve como biocombustible para estos robots, produciendo amoníaco y dióxido de carbono. Debido a que la ureasa no se distribuye uniformemente en la superficie de las burbujas, con el tiempo, se acumula más de estos productos en un lado que en el otro. Este desequilibrio crea un entorno químico asimétrico alrededor de la burbuja, generando un impulso neto que impulsa a los microrrobots hacia adelante.

Por otro lado, el equipo hizo más inteligentes a los microrrobots a fin de capacitarlos para ser capaces de buscar tumores por su cuenta. Sabiendo que los tumores y la inflamación producen altas concentraciones de peróxido de hidrógeno en comparación con lo que ocurre en las células normales, el equipo decidió agregar una enzima adicional llamada catalasa a la superficie de unos microrrobots con un diseño mejorado. La catalasa impulsa una reacción con el peróxido de hidrógeno, creando agua y oxígeno. Mediante lo que se conoce como comportamiento quimiotáctico, los robots burbuja provistos de catalasa se mueven automáticamente hacia los sitios con las mayores concentraciones de peróxido de hidrógeno, dirigiéndose así de manera automática hacia los tumores.

En este caso, no se necesita guiar a los microrrobots burbuja. Son lo bastante “inteligentes” como para encontrar el tumor.

Una vez que los robots burbuja llegan a su objetivo, desde fuera el personal especializado puede aplicar ultrasonido focalizado para reventar las burbujas y liberar su carga terapéutica. Esta potente acción de ruptura mejora la penetración del fármaco en el tumor, en comparación con lo que sucede en los robots de hidrogel de degradación lenta utilizados anteriormente por el equipo.

Cuando los científicos inyectaron en unos ratones los robots burbuja para que estos administrasen un fármaco antitumoral, observaron una disminución de aproximadamente el 60% en el peso de los tumores de vejiga en un período de 21 días, en comparación con lo que sucedió en los ratones que solo recibieron el fármaco.

Gao y sus colegas exponen los detalles técnicos de sus nuevos microrrobots en la revista académica Nature Nanotechnology, bajo el título “Enzymatic microbubble robots”. (Fuente: NCYT de Amazings)