Así se mueven millones de nanorrobotos dentro de ratones vivos

Los nanorrobots son máquinas de dimensiones nanométricas que se pueden mover de forma autónoma en algunos fluidos, como los corporales. Todavía están en fase de investigación y desarrollo pero sus posibles aplicaciones médicas podrían llegar a ser muy variadas: desde la identificación de células tumorales hasta la liberación de fármacos en lugares específicos del organismo.

Entre los sistemas de nanorrobots más prometedores se encuentran los autopropulsados por enzimas catalíticas, pero para avanzar hacia la práctica clínica primero es necesario monitorizar y ver como se mueven en conjunto.

Ahora, investigadores del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC), CIC biomaGUNE y la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) han logrado observar por primera vez in vivo el comportamiento colectivo de un gran número de nanorrobots diseñados en el IBEC para moverse autónomamente dentro del organismo. El estudio se publica en la revista Science Robotics.

 “El hecho de haber podido ver el movimiento colectivo y sincronizado de los nanorrobots, y de seguirlos dentro de un organismo vivo, es de gran relevancia, puesto que se necesitan millones de ellos para tratar patologías específicas como, por ejemplo, las alteraciones tumorales”, declara Samuel Sánchez, profesor ICREA e investigador principal en el IBEC junto a su equipo “Nano Dispositivos Biológicos Inteligentes” en el  Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC)

This is one of my favorite videos ever! How nice it is to see millions of nanobots under the microscope @ahortelao @maria_guix so hard-working and motivated team! pic.twitter.com/gdLZr9q8d8

— Samuel Sánchez (@SamuelNanobots) March 17, 2021

“Hemos demostrado, por primera vez, que los nanorrobots se pueden monitorizar in vivo mediante la tomografía por emisión de positrones (PET), una técnica no invasiva de alta sensibilidad utilizada actualmente en el entorno clínico”, explica Jordi Llop, investigador principal del laboratorio de radioquímica y de imagen nuclear de CIC biomaGUNE.

Para ello, los investigadores primero llevaron a cabo experimentos in vitro, monitorizando a los nanorrobots a través de microscopía óptica y PET, donde se usan sustancias radiactivas para poder visualizarlos. 

Ambas técnicas permitieron observar cómo las nanopartículas se mezclaban con los fluidos y eran capaces de migrar, de forma colectiva, siguiendo caminos complejos.

Después, los nanorrobots fueron administrados, vía intravenosa, a ratones y, por último, introducidos intravesicalmente en las vejigas de estos animales.

Los nanorrobots llevaban incorporada una enzima, la ureasa, que usa como combustible la urea de la orina, descomponiéndola en CO₂ y amoníaco para generar la propulsión por el medio.

Como 'nanomotores' usaron nanopartículas de sílice que contenían esta enzima ureasa, junto a nanopartículas de oro marcadas para visualizar los desplazamientos.

Así el equipo de científicos comprobó que la distribución de los nanodispositivos en la vejiga de los ratones era homogénea, lo cual indica que el movimiento colectivo era coordinado y eficiente.

Como bandadas de pájaros o bancos de peces

“Los nanorrobots realizan movimientos colectivos parecidos a los que encontramos en la naturaleza, como el de los pájaros que vuelan en bandadas, o los patrones ordenados que siguen los bancos de peces”, apunta Samuel Sánchez.

Este estudio demuestra la elevada eficiencia de millones de dispositivos nanoscópicos para moverse de forma coordinada tanto en entornos in vitro como in vivo, hecho que constituye un avance fundamental en la carrera de los nanorrobots por convertirse en protagonistas de terapias y tratamientos de gran precisión. Las aplicaciones futuras en medicina de estos dispositivos de escala nanométrica son prometedoras.

“Esta es la primera vez que podemos visualizar directamente la difusión activa de nanorrobots biocompatibles dentro de fluidos biológicos in vivo. La posibilidad de monitorear su actividad dentro del cuerpo y el hecho de que muestren una distribución más homogénea podría revolucionar la forma en que entendemos los enfoques de administración y diagnóstico de fármacos basados en nanopartículas”, comenta Tania Patiño, coautora del IBEC.

Los “enjambres de nanorrobots” podrían resultar especialmente útiles en medios viscosos, donde la difusión de fármacos está limitada muchas veces por la mala vascularización, como en el tracto gastrointestinal, los ojos, o las articulaciones.

“De hecho, como se pueden incorporar diferentes enzimas a los motores, podrían fabricarse nanorrobots a medida según el objetivo dentro del organismo, adaptando el dispositivo al combustible accesible en el entorno donde deben desplazarse”, concluye Samuel Sánchez.

Referencia: 

Ana C. Hortelao, Cristina Simó, Maria Guix, Sandra Guallar-Garrido, Esther Julián, diana Vilela, Luka Rejc, Pedro Ramos-Cabrer, Unai Cossío, Vanessa Gómez-Vallejo, Tania Patiño, Jordi LLop, Samuel Sánchez. "Monitoring the collective behavior of enzimatic nanomotors in vitro and in vivo by PET-CT". Science Robotics, 2021