ПЭТ-КТ проследила за движением роя нанороботов в живом организме

Испанские ученые впервые количественно проследили за распространением нанороботов с ферментным приводом в живом организме. Выяснилось, что в отличие от неактивных аналогов, они склонны самоорганизовываться в форму роя с равномерным распределением частиц. Исследование опубликовано в журнале Science Robotics.

Нанороботы представляют собой перспективную область медицинских разработок, одно из основных направлений их экспериментального применения — прицельная доставка лекарств в злокачественные опухоли. В отличие от пассивных нанопрепаратов, лишь 0,7 процента дозы которых проникает в новообразование, активно движущиеся наночастицы способны хорошо преодолевать биологические преграды, такие как слизь, клеточные мембраны и оболочки искусственных органоидов. Для придания нанороботам движения применяют различные подходы, например, воздействие внешнего магнитного поля или жгутики, схожие с бактериальными. Наиболее перспективно на данный момент использование каталитической энергии ферментов, «топливом» для которых служат естественные вещества организма.

Отдельную проблему в разработке терапевтических нанороботов представляет отслеживание их движения и распространения в живом организме. Для этих целей пытались применять магнито-резонансную и фотоакустическую компьютерную томографии, однако из-за недостаточной чувствительности эти методы дают лишь качественную, но не количественную оценку.

Чтобы преодолеть эти ограничения, сотрудники Каталонского института биоинженерии, исследовательской организации CIC biomaGUNE и Барселонского автономного университета под руководством Самуэля Санчеса (Samuel Sánchez) и Джорди Льопа (Jordi Llop) решили воспользоваться методом позитронно-эмиссионной томографии, совмещенной с компьютерной томографией (ПЭТ-КТ). Поскольку эта методика основана на регистрации гамма-излучения от радиоизотопных меток, она обладает чрезвычайно высокой чувствительностью, которая не зависит от типа исследуемых органов и тканей, давая полную количественную картину распределения меченого вещества в реальном времени.

Для эксперимента исследователи создали нанороботов из мезопористого кремния с меченым фтором-18 ферментом уреазой, разлагающим мочевину, в качестве «двигателя» и мечеными йодом-124 золотыми наночастицами в качестве «полезной нагрузки». Движение таких нанороботов происходит за счет асимметричного испускания ионов карбоната и аммония, образующихся при распаде мочевины.

В ходе первого эксперимента исследователи помещали двухмикролитровую каплю суспензии нанороботов в чашку Петри, содержащую либо дистиллированную воду, либо раствор мочевины, и наблюдали за их поведением с помощью оптической микроскопии и ПЭТ-КТ. В воде нанороботы сохраняли форму капли, медленно неравномерно расплывающейся под действием броуновского движения. В присутствии «топлива» они организовывались аналогично стае птиц или косяку рыб и быстро равномерно распределялись по раствору.

В следующем эксперименте ученые пронаблюдали, как при наличии мочевины нанороботы успешно преодолевали полидиметилсилоксановые лабиринты возрастающей сложности.

Чтобы оценить применимость методики к живым системам, суспензию нанороботов ввели мышам внутривенно и выполнили им ПЭТ-КТ в реальном времени. Так удалось количественно пронаблюдать изначальное накопление радиоизотопов в печени и легких (а меченых йодом-124 — и в щитовидной железе) с последующим постепенным выведением с мочой, что подтвердило пригодность ПЭТ-КТ и радиохимическую стабильность нанороботов in vivo. В течение последующих двух недель никаких побочных эффектов от процедуры не наблюдалось.

В последнем эксперименте нанороботов ввели мышам интравезикально — в мочевой пузырь, где присутствует достаточная концентрация мочевины. При поступлении из почек свежей мочи изначальное разделение содержимого на фазы (содержащую и не содержащую нанороботов) быстро сменялось равномерным распределением терапевтических частиц за счет их активного движения на появившемся «топливе». При введении в мочевой пузырь дистиллированной воды разделение фаз сохранялось.

По мнению исследователей, интравезикальное введение несущих противоопухолевые препараты нанороботов с меченым фтором-18 уреазным приводом под контролем ПЭТ-КТ может стать перспективным методом прицельной контролируемой химиотерапии рака мочевого пузыря. Изменяя фермент-двигатель и доставляемое лекарственное средство, технологию можно адаптировать к опухолям различных локализаций.

Количество разработок в области медицинской наноробототехники в наше время возрастает экспоненциально. В качестве примеров можно привести наномеханизмы, доставляющие культивированные нейроны в нервную ткань, способные двигаться в стекловидном теле глаза и использующие технологию ДНК-оригами для перекрытия сосудов, питающих опухоль.

Олег Лищук