Минус 60% массы опухоли: как микророботы с ферментным приводом уничтожают рак мочевого пузыря

Инженеры из Калифорнийского технологического института и Университета Южной Калифорнии предложили необычно простой вариант медицинского микроробота. В роли устройства выступает крошечный пузырек с белковой оболочкой. Разработчики пытались решить давнюю проблему адресной доставки лекарств внутри организма. Раньше подобные системы оказывались слишком сложными по устройству, дорогими в производстве и плохо управляемыми после введения в ткани.

Новая конструкция устроена предельно понятно. Вместо многослойных корпусов, гидрогелевых капсул и печати на 3D принтерах здесь используются микропузырьки, которые уже давно применяют при ультразвуковой диагностике как контрастное вещество. Их совместимость с тканями хорошо известна врачам. Получают такие частицы с помощью ультразвукового перемешивания раствора. Метод позволяет быстро выпускать тысячи одинаковых объектов без сложной лабораторной инфраструктуры и с небольшими затратами.

Белковая оболочка удобна тем, что к ней легко присоединять разные молекулы. Исследователи химически обработали аминогруппы на поверхности и закрепили там ферменты, противоопухолевые препараты и наночастицы. После такой доработки микропузырек превращается в активный носитель. Он может двигаться, реагировать на химическую обстановку вокруг и переносить лечебное вещество прямо к нужному участку.

За перемещение отвечает фермент уреаза, который размещен на поверхности неравномерно. Уреаза расщепляет мочевину, обычный продукт обмена веществ в организме. Во время реакции образуются аммиак и углекислый газ. Поскольку фермент распределен несимметрично, продукты реакции скапливаются с одной стороны сильнее. Возникает локальный перепад концентрации и пузырек получает толчок в противоположную сторону. Так формируется самопроизвольное поступательное движение без моторов и внешних приводов.

Команда подготовила 2 варианта таких микросистем. В первый добавили магнитные наночастицы. Они дают возможность направлять движение снаружи с помощью магнита. Положение при этом отслеживается ультразвуком, потому что такие пузырьки хорошо видны на снимках. Врач может одновременно видеть объект и корректировать маршрут.

Вторая версия обходится без внешнего наведения. В нее добавили фермент каталаза. Он реагирует на перекись водорода. В опухолевых и воспаленных тканях концентрация этого вещества обычно выше, чем в здоровых. Микропузырек улавливает химический градиент и смещается туда, где уровень больше. Такой механизм называют хемотаксисом, то есть движением по химическому сигналу. В этом режиме носителю не требуется постоянный контроль со стороны оператора или визуализация.

Доставку лекарства завершают точечным ультразвуковым импульсом. Сфокусированная волна разрушает оболочку, и содержимое высвобождается сразу в зоне цели. Резкое схлопывание дополнительно помогает веществу проникнуть глубже в ткань опухоли за счет механического воздействия. Ранние варианты микророботов чаще использовали медленное высвобождение, которое давало более слабое проникновение.

Испытания провели на мышах с раком мочевого пузыря. Наблюдение длилось 21 день. У животных, которым вводили препарат с такими микропузырьками, масса опухоли оказалась примерно на 60% меньше, чем у группы, где применяли только лекарство без этого носителя. Авторы работы отмечают, что платформа объединяет сразу несколько практических свойств. Она совместима с тканями, поддерживает управляемое или самостоятельное перемещение, подходит для ультразвукового контроля и позволяет выпускать препарат по сигналу в нужный момент.