Ученые из Института биоинженерии Каталонии и Пенсильванского университета разработали наноботов из оксида кремния, которые смогут доставлять лекарства через жидкости внутри организма. Автономное движение делает их эффективнее обычного лечения. В перспективе, считают ученые, разработка позволит растворять тромбы и камни в почках, а также предотвращать инфекции после трансплантации.
Исследователи создали наноботов для транспортировки лекарства внутри организма
Это не сюжет из научной фантастики — нанороботы уже находятся среди нас. Уже более десяти лет Самуэль Санчес, химик из Института биоинженерии Каталонии в Барселоне, разрабатывал наноботов, которые могли бы переносить полезные грузы, например, лекарства от рака или антибиотики, через жидкости организма.
Сферическая частица оксида кремния работает как ходовая часть. Санчес продемонстрировал, что на поверхность частицы можно разместить специальные белки, которые будут подталкивать частицу внутри жидкости, как маленькие двигатели.
Его лаборатория экспериментировала с разными моторами, грузами и ходовой частью. Для работы, которая была опубликована в конце апреля, они объединили усилия с исследователями антибиотиков.
Наноботы из оксида кремния были заполнены специальными антибиотиками (в том числе тем, что добывается из яда осы), чтобы лечить инфицированные раны мышей. Наноботов разместили у одного конца инфицированной раны, и они прошли через кожу, чтобы обработать всю область. Это первый известный случай, когда наноботы убили бактерии в организме животного.
Инфографика: Xavier Arqué, Marcelo D. T. Torres et al / American Chemical Society
«Мы видим, что охватывается вся рана. Машины на самом деле могут перемещаться по ране и по пути очищать инфекцию», — говорит Сезар де ла Фуэнте, биоинженер Пенсильванского университета, который руководил проектом вместе с Санчесом.
Это имеет значение, поскольку обычно действие лекарств зависит от диффузии — процесса пассивного распространения через жидкости организма. Если самый лучший антибиотик не может рассеиваться в среде, он не работает.
Антибиотики и химиотерапия часто представляют собой небольшие молекулы. Они двигаются в том же направлении, что и жидкость, в которой они находятся. Если вколоть ципрофлоксацин в вену для лечения инфекции кровотока, кровоток доставит этот антибиотик в нужное место. Вопрос в том, что делать с микробами, которые скрываются в гораздо более густой жидкости, например, слизи, или принимают форму плотных пленок в легких.
«Обычно антибиотик просто убивает бактерии вокруг области, куда его вводят, но не может перемещаться сам», — объясняет де ла Фуэнте.
Вот почему этим лекарствам нужны мини-моторы. Санчес представляет нанобота, который бы смог доставлять лекарства для лечения инфекций в вязких жидкостях, таких как кожное сало, или раковых заболеваний вблизи застойных жидкостей, например, в мочевом пузыре.
«Движение особенно нужно в местах с высокой вязкостью или очень низкой диффузией, — отмечает Санчес. — Без движения или тяги не добраться из точки А в точку Б».
«Это хорошая демонстрация мощи активных систем», — комментирует Ян ван Хест, химик-биоорганик из Технологического университета Эйндховена в Нидерландах, который не принимал участия в работе.
Скорее всего, нанороботы, скорее всего, не заменят привычные нам антибиотики, поскольку они, как правило, должны быть простыми и дешевыми. Тем не менее, ван Хест быстро указывает на другие ситуации, в которых затраты на движение будут оправданными: растворение тромбов и защита тазобедренных имплантатов от инфекции.
Де ла Фуэнте также впечатлен новыми возможностями, поскольку ученые прикладывают значительные усилия, чтобы изобрести новые антибиотики и способы их применения.
«Я убежден, что в будущем разработка поможет эффективнее бороться с инфекциями», — говорит де ла Фуэнте.
Его лаборатория сосредоточена на открытии новых антибиотиков, в первую очередь в форме пептидов, которые встречаются в природе как бактериальные убийцы в животном мире. Пептиды — цепочки, состоящие из нескольких десятков аминокислот, похожих на короткие фрагменты белков. Проблема в том, что их диффузия происходит медленно, и организм разлагает такие мелкие молекулы.
Де ла Фуэнте задавался вопросом, как заставить их перемещаться по плотной ране или биопленке быстрее, чем позволит диффузия. Он следил за работой Санчеса в течение многих лет, обратив внимание и на недавний эксперимент, продемонстрировавший, что наномоторы могут переносить и распределять противоопухолевые препараты и автономно перемещаться по мочевым пузырям мышей.
Две лаборатории объединили усилия и свои технологии. Команда Санчеса создала роботов двух размеров из диоксида кремния (кремнезема): наночастицы и микрочастицы чуть большего размера. Чтобы привести их в движение, они использовали белок, называемый уреазой.
Уреаза — это фермент, который превращает мочевину в организме в аммиак и углекислый газ. Как двигатель автомобиля, этот фермент превращает химическую реакцию в механическую энергию, а топливом для него служит мочевина.
Хитрость, по словам Санчеса, заключается в том, чтобы распределить эти двигатели по ботам асимметрично. Это позволяет наноботу двигаться хаотично, удаляясь от начальной точки, а не кружить вокруг нее.
В качестве груза лаборатория де ла Фуэнте предоставила два антимикробных пептида: LL-37, длинный природный антимикробный пептид, и K7-Pol, более короткий синтетический пептид, полученный из яда осы. Любой из них разрушает мембрану клетки бактерии, по сути, делая ее бесполезной. В лабораторных условиях K7-Pol также продемонстрировал эффективность против паразитов и раковых клеток.
Исследователи продемонстрировали скорость передвижения ботов: в пробирках с мочевиной микроботы достигали скорости до 4 мкм в секунду. Как объясняет Санчес, это одна или две длины тела в секунду. Люди также плавают со скоростью примерно в одну длину тела в секунду.
- Проблема была в том, как доказать, что разработка лечит инфекции у животных лучше, чем обычные антибиотики. Для этого на раны лабораторных мышей нанесли антибиотик: часть получила его в обычной форме, а остальные — в наноботах. Лекарство наносилось не на всю рану, а лишь с одной стороны.
- Раны, которые получившие антибиотики в обычной форме, были излечены только локально. Количество бактерий сократилось в 100-1000 раз — но только на том краю, где вводилось лекарство. Остальная часть раны выглядела так, будто не получала лечение.
- В другой группе нанороботы обработали всю рану и уменьшили количество бактерий внутри раны в 100-1000 раз по всей ее длине, до уровня, с которым может справиться иммунная система.
- В примерах с использованием наноботов некоторые раны были обработаны мочевиной — дополнительным топливом. Без него боты с антибиотиками не излечили всю инфекцию и работали только локально, как обычные антибиотики. Так команда смогла подтвердить, что движение ботов стало ключевым фактором успеха.
Дуглас Даль, руководитель отделения урологической онкологии в Mass General Brigham, называет наноботов «феноменальной технологией». Как и ван Хест, Даль видит в наноботах большой потенциал для обеспечения безопасности коленных, тазобедренных и даже пенильных имплантатов.
Другое применение было бы для лечения камней в почках, которые часто содержат бактериальные биопленки в труднодоступных щелях.
«Во время операции бактерии могут попасть в организм пациента и сильно ухудшить его самочувствие», — говорит он.
Он считает, что самодвижущиеся лекарства могли бы помочь врачам бороться с труднодоступными опухолями и микробами. Кроме того, отмечает Даль, между мочевыводящими путями, мочевым пузырем и почками у человека есть достаточно много мочевины — топлива, которое может питать наноармию.
Пока наноботы Санчеса не могут работать в крови, которая течет намного быстрее, чем они могут двигаться, он все же представляет себе фантастические путешествия через медленно движущиеся жидкости организма, такие как слизь и межклеточная жидкость кожи. И у наноботов все еще есть способ заставить людей мечтать об идеях на границе реальности.
«Как ученые, мы все вдохновляемся научной фантастикой, — говорит де ла Фуэнте. — И я думаю, что иногда наша работа состоит в том, чтобы попытаться сблизить эти два мира. То, что сегодня кажется научной фантастикой, надеюсь, через несколько лет станет реальностью».
Источник.
Фото на обложке: Leka Sergeeva / Shutterstock
Источник: rb.ru
