나노 입자는 환상적인 자기 항해를합니다

MIT 엔지니어는 약물 전달 나노 입자가 혈류 밖으로 빠져 나가거나 종양이나 다른 질병 부위로 들어가도록 도와주는 소형 로봇을 설계했습니다. 잠수함 승무원의 크기가 줄어들고 손상된 세포를 수리하기 위해 몸을 돌아 다니는 1960 년대 공상 과학 영화 '판타스틱 보 야지 (Fantastic Voyage)'의 공예품처럼 로봇은 혈류를 헤엄 쳐 나 가면서 나노 입자를 끌어 당기는 전류를 생성합니다.

박테리아 추진에 의해 영감을받은 자기 마이크로 로봇은 나노 입자로 약물을 전달하는 데 가장 큰 장애물 중 하나를 극복하는 데 도움이 될 수 있습니다.

John and Dorothy Wilson Health Sciences 교수 인 Sangeeta Bhatia는“나노 물질을 혈류에 넣어 질병에 걸린 조직을 목표로 삼을 때 조직에 들어가는 이러한 종류의 페이로드의 가장 큰 장벽은 혈관의 안감입니다. 기술 및 전기 공학 및 컴퓨터 과학, MIT의 Koch 통합 암 연구 연구소 및 의료 공학 및 과학 연구소의 멤버, 연구의 수석 저자.

Science Advances 의 4 월 26 일호에 실린 MIT의 사후 연구원이자 논문의 수석 저자 인 Simone Schuerle은“우리의 아이디어는 자성을 사용하여 나노 입자를 조직으로 밀어주는 유 체력을 생성 할 수 있는지를 알아 보는 것이었다 .

같은 연구에서 연구원들은 또한 자연적으로 자성 인 살아있는 박테리아 떼를 사용하여 유사한 효과를 얻을 수 있음을 보여주었습니다. 이들 접근법은 각각 다른 유형의 약물 전달에 적합 할 수 있다고 연구원들은 말했다.

작은 로봇

현재 스위스 연방 기술 연구소 (ETH Zurich)의 조교수 인 Schuerle은 ETH 취리히의 Brad Nelson Multiscale Robotics Lab에서 대학원생으로 작은 자기 로봇을 연구하기 시작했습니다. 2014 년에 박사후 연구원으로 Bhatia의 실험실에 왔을 때, 그녀는 이런 종류의 봇이 나노 입자 약물 전달을보다 효율적으로 만드는 데 도움이 될 수 있는지 조사하기 시작했습니다.

대부분의 경우, 연구자들은 그들의 나노 입자를 종양과 같은“누출 된”혈관으로 둘러싸인 질병 부위에 표적화합니다. 이것은 입자가 조직으로 들어가기 쉬워 지지만 전달 과정은 여전히 ​​필요한만큼 효과적이지 않습니다.

MIT 팀은 자기 로봇에 의해 생성 된 힘이 입자를 혈류에서 대상 부위로 밀어 넣을 수있는 더 나은 방법을 제공 할 수 있는지 여부를 조사하기로 결정했습니다.

이 연구에서 Schuerle이 사용한 로봇은 길이가 35 백 밀리미터이고 단일 셀과 크기가 비슷하며 외부 자기장을 적용하여 제어 할 수 있습니다. 연구원들이 "인공 박테리아 편모"라고 부르는이 생물 영감 로봇은 많은 박테리아가 스스로 추진하기 위해 사용하는 편모와 유사한 작은 나선으로 구성되어 있습니다. 이 로봇은 고해상도 3D 프린터로 3D 인쇄 된 다음 니켈로 코팅되어 자성을냅니다.

근처의 나노 입자를 제어하는 ​​단일 로봇의 능력을 테스트하기 위해 연구원들은 종양을 둘러싸고있는 혈관을 모방 한 미세 유체 시스템을 만들었습니다. 50에서 200 미크론 사이의 시스템의 채널에는 종양 근처에서 보이는 부러진 혈관을 시뮬레이트하는 구멍이있는 젤이 있습니다.

연구원들은 외부 자석을 사용하여 자기장을 로봇에 적용하여 나선이 채널을 통해 회전하고 헤엄 칠 수있게했습니다. 유체가 채널을 통해 반대 방향으로 흐르기 때문에 로봇은 정지 상태를 유지하고 대류 전류를 생성하여 200 나노 미터 폴리스티렌 입자를 모델 조직으로 밀어 넣습니다. 이 입자들은 자기 로봇의 도움없이 나노 입자가 전달 된 것보다 조직 내로 2 배 더 침투했습니다.

이러한 유형의 시스템은 스텐트에 잠재적으로 통합 될 수 있으며, 이는 스텐트에 고정되어 있으며 외부에서 적용되는 자기장으로 쉽게 타겟팅 할 수 있습니다. 이러한 접근은 스텐트 부위의 염증을 줄이기 위해 약물을 전달하는데 유용 할 수 있다고 Bhatia는 말했다.

세균 떼

연구원들은 또한 마이크로 로봇 대신에 자연 자기 박테리아의 무리에 의존하는이 접근법의 변형을 개발했다. Bhatia는 이전에 암과 싸우는 약물 을 전달하고 암 을 진단 하는 데 사용될 수있는 박테리아를 개발 하여 질병 부위에 박테리아가 자연적으로 축적되는 경향을 이용했습니다.

이 연구를 위해 연구원들은 자연적으로 산화철 사슬을 생성하는 Magnetospirillum magneticum 이라는 박테리아를 사용했습니다 . 마그네토 솜으로 알려진이 자성 입자는 박테리아가 스스로 방향을 잡고 선호하는 환경을 찾는 데 도움이됩니다.

연구진은이 박테리아를 미세 유체 시스템에 넣고 회전 자기장을 특정 방향으로 적용하면 박테리아가 동 기적으로 회전하기 시작했고 같은 방향으로 움직이면서 근처에있는 나노 입자를 따라 움직 였다는 것을 발견했습니다. 이 경우, 연구진은 나노 입자가 자기 보조없이 나노 입자가 전달 될 때보 다 3 배 더 빨리 모델 조직으로 밀려났다는 것을 발견했다.

이 박테리아 접근법은 종양과 같은 상황에서 약물 전달에 더 적합 할 수 있는데, 시각적 피드백이없이 외부에서 통제되는 떼가 종양 전체의 혈관에 유 체력을 생성 할 수 있습니다.  

이번 연구에서 연구원들이 사용한 입자는 CRISPR 게놈 편집 시스템에 필요한 성분을 포함하여 큰 페이로드를 운반하기에 충분히 크다고 Bhatia 씨는 말했다. 그녀는 이제 Schuerle과 협력하여 동물 모델 테스트를위한 이러한 두 가지 자기 접근 방식을 추가로 개발할 계획입니다.

이 연구는 스위스 국립 과학 재단, 브랑코 와이스 펠로우쉽, 국립 보건원, 국립 과학 재단, 하워드 휴즈 메디컬 인스티튜트가 자금을 지원했습니다.