Petits robots

Schuerle, qui est aujourd'hui professeur assistant à l'Ecole polytechnique fédérale de Zurich (ETH Zurich), a commencé à travailler sur de minuscules robots magnétiques en tant qu'étudiant diplômé du laboratoire de robotique multi-échelle de Brad Nelson à l'ETH Zurich. Lorsqu'elle est arrivée au laboratoire de Bhatia en tant que postdoctorante en 2014, elle a commencé à étudier si ce type de bot pouvait aider à rendre l'administration de médicaments à base de nanoparticules plus efficace.

Dans la plupart des cas, les chercheurs ciblent leurs nanoparticules sur des sites pathologiques entourés de vaisseaux sanguins "qui fuient", comme les tumeurs. Cela permet aux particules de pénétrer plus facilement dans les tissus, mais le processus de livraison n'est toujours pas aussi efficace qu'il devrait l'être.

L'équipe du MIT a décidé d'explorer si les forces générées par les robots magnétiques pourraient offrir un meilleur moyen de pousser les particules hors de la circulation sanguine et dans le site cible.

Les robots que Schuerle a utilisés dans cette étude mesurent 35 centièmes de millimètre de long, de taille similaire à une seule cellule, et peut être contrôlé en appliquant un champ magnétique externe. Ce robot bio-inspiré, que les chercheurs appellent un « flagelle bactérien artificiel, " se compose d'une minuscule hélice qui ressemble aux flagelles que de nombreuses bactéries utilisent pour se propulser. Ces robots sont imprimés en 3D avec une imprimante 3D haute résolution puis recouverts de nickel, ce qui les rend magnétiques.

Pour tester la capacité d'un seul robot à contrôler les nanoparticules à proximité, les chercheurs ont créé un système microfluidique qui imite les vaisseaux sanguins qui entourent les tumeurs. Le canal dans leur système, entre 50 et 200 microns de largeur, est recouvert d'un gel qui a des trous pour simuler les vaisseaux sanguins brisés vus près des tumeurs.

À l'aide d'aimants externes, les chercheurs ont appliqué des champs magnétiques au robot, ce qui fait tourner l'hélice et nager dans le canal. Parce que le fluide s'écoule dans le canal dans la direction opposée, le robot reste immobile et crée un courant de convection, qui pousse des particules de polystyrène de 200 nanomètres dans le tissu modèle. Ces particules ont pénétré deux fois plus loin dans les tissus que les nanoparticules délivrées sans l'aide du robot magnétique.

This type of system could potentially be incorporated into stents, which are stationary and would be easy to target with an externally applied magnetic field. Such an approach could be useful for delivering drugs to help reduce inflammation at the site of the stent, Bhatia says.

Bacterial swarms

The researchers also developed a variant of this approach that relies on swarms of naturally magnetotactic bacteria instead of microrobots. Bhatia has previously developed bacteria that can be used to deliver cancer-fighting drugs and to diagnose cancer, exploiting bacteria's natural tendency to accumulate at disease sites.

Pour cette étude, the researchers used a type of bacteria called Magnetospirillum magneticum, which naturally produces chains of iron oxide. These magnetic particles, known as magnetosomes, help bacteria orient themselves and find their preferred environments.

The researchers discovered that when they put these bacteria into the microfluidic system and applied rotating magnetic fields in certain orientations, the bacteria began to rotate in synchrony and move in the same direction, pulling along any nanoparticles that were nearby. Dans ce cas, the researchers found that nanoparticles were pushed into the model tissue three times faster than when the nanoparticles were delivered without any magnetic assistance.

This bacterial approach could be better suited for drug delivery in situations such as a tumor, where the swarm, controlled externally without the need for visual feedback, could generate fluidic forces in vessels throughout the tumor.

The particles that the researchers used in this study are big enough to carry large payloads, including the components required for the CRISPR genome-editing system, Bhatia says. She now plans to collaborate with Schuerle to further develop both of these magnetic approaches for testing in animal models.