Передвижение микророботов на основе спирулины в растворе
Xiaohui Yan et al., / Science Robotics
Ученые создали из водоросли спирулины новый тип биосовместимых микророботов — волокна водоросли покрыли магнетитом и получили спиральные микрочастицы, способные передвигаться под действием магнитного поля даже в вязких жидкостях. Микророботов протестировали на мышах и оказалось, что частицы легко детектировать как в поверхностных тканях, так и в глубоко залегающих органах. Кроме того, микрочастицы показали цитотоксичность в отношении раковых клеток, сообщается в статье, опубликованной в Science Robotics.
Исследователи разработали довольно много разновидностей роботов на основе наночастиц полимеров и металлов, которые потенциально можно использовать в живых организмах для биовизуализации, диагностики и доставки лекарственных препаратов. К примеру, мы рассказывали о микророботах с никелевыми «руками», которые эффективно передвигаются в вязких жидкостях. Однако их основной проблемой остается довольно высокая токсичность, поэтому в реальности до экспериментов на животных дошли только редкие образцы.
Группа биоинженеров под руководством Ли Чжана (Li Zhang) из Китайского университета Гонконга с коллегами из университетов Эдинбурга и Манчестера придумала использовать в качестве основы для биосовместимых микророботов водоросли Spirulina platensis, которые активно используются как кормовая добавка. Спиралевидные частицы спирулины покрыли наночастицами магнетита Fe3O4, который зарекомендовал себя как нетоксичный материал. В результате получились микрочастицы, перемещением которых можно управлять при помощи магнитного поля. Для генерации поля использовалась экспериментальная трехосевая установка с катушками Гельмгольца. Перед опытами на животных исследователи отдельно подтвердили способность роботов передвигаться в биологических жидкостях — крови, моче, желудочном соке. В качестве самой вязкой среды было использовано арахисовое масло.
Микрочастицы спирулины, покрытой наночастицами магнетита под электронным микроскопом (слева) и флуоресцирующая спирулина (справа)
Xiaohui Yan et al., / Science Robotics
Затем ученые изучили потенциал микророботов в качестве инструмента для биовизуализации, и ввели суспензию частиц мышам. Возможность наблюдать за частицами важна для всех их потенциальных приложений — к примеру, визуализация позволит проследить за распределением препарата при доставке лекарств.
Водоросли обладают автофлуоресценцией, поэтому в растворе за частицами на их основе можно наблюдать при помощи флуоресцентной микроскопии без всяких дополнительных модификаций. Оказалось, что флуоресценцию частиц можно детектировать даже у мышей под кожей. Чтобы детектировать частицы в глубоко залегающих органах, таких как желудок, исследователи применили магниторезонансную визуализацию. Таким образом, за микророботами, представляющими собой намагниченные водоросли, можно наблюдать как в поверхностных тканях, так и в глубоких слоях.
Флуоресценция
Xiaohui Yan et al., / Science Robotics
Дополнительно исследователи проверили токсичность микрочастиц в клеточной культуре. Для нормальных фибробластов (клеток соединительной ткани) частицы оказались нетоксичны. Зато в культурах клеток рака шейки матки и печени инкубация с микрочастицами индуцировала в клетках запуск программы клеточного самоубийства. По-видимому, токсичными для раковых клеток оказались биологически активные компоненты спирулины, скорее всего пигмент фикоцианин, который составляет до 20 процентов сухого веса водорослей.
Клетки инкубировали с микрочастицами на основе спирулины (красным). Слева фибробласты, справа клетки рака шейки матки линии SiHa. Через 48 часов (правое изображение каждой панели) фибробласты остались такими же, как были, а раковые клетки ушли в апоптоз.
Xiaohui Yan et al., / Science Robotics
Помимо управлением магнитным полем, инженеры разрабатывают и другие подходы к управлению движением микро- и нанороботов в биологических жидкостях. Мы уже рассказывали, как роботами можно управлять при помощи ультразвука и при помощи ферментативной реакции.
Дарья Спасская
