La administración de fármacos terapéuticos en el lugar exacto del cuerpo donde se necesitan podría ser, en un futuro, una tarea realizada por robots en miniatura. No se trata de pequeños robots humanoides de metal, ni siquiera de robots bio imitadores, sino de diminutas esferas en forma de burbuja.
Pero estos robots tendrían una larga y difícil lista de requisitos que cumplir para lograr conseguir su objetivo ya que tendrían que sobrevivir en fluidos corporales, como los ácidos estomacales, y ser controlables, de modo que pudieran dirigirse con precisión a lugares concretos. También tendrían que liberar su carga médica sólo cuando alcanzaran su objetivo, y entonces el cuerpo podría absorberla sin causarle daños.
Un equipo dirigido por Caltech ha desarrollado microrobots que cumplen todos estos requisitos. Prueba de ello, es que el equipo logró administrar fármacos que reducían el tamaño de tumores de vejiga en ratones. Da fé de ello el artículo publicado en la revista Science Robotics en el que se describe el trabajo.
“Ahora podemos guiar a nuestros microrobots directamente a un tumor y liberar el fármaco de forma controlada y eficaz"
"Hemos diseñado una plataforma única que puede resolver todos estos problemas", afirma Wei Gao, profesor de ingeniería médica en Caltech, investigador del Instituto de Investigación Médica Heritage y coautor del nuevo artículo sobre los robots, que el equipo denomina microrobots acústicos biorreabsorbibles (BAM). "En lugar de introducir un fármaco en el cuerpo y dejar que se difunda por todas partes, ahora podemos guiar a nuestros microrobots directamente a un tumor y liberar el fármaco de forma controlada y eficaz", explica Gao.
El concepto de micro o nanorobots no es nuevo. En las dos últimas décadas se han venido desarrollando versiones de los mismos. Sin embargo, hasta ahora sus aplicaciones en sistemas vivos han sido limitadas porque es extremadamente difícil mover objetos con precisión en biofluidos complejos como la sangre, la orina o la saliva, afirma Gao. Los robots también tienen que ser biocompatibles y biorreabsorbibles, es decir, que no dejen nada tóxico en el cuerpo.
Los microrobots desarrollados por Caltech son microestructuras esféricas hechas de un hidrogel llamado poli (etilenglicol) diacrilato. Los hidrogeles son materiales que comienzan en forma líquida o de resina y se solidifican cuando la red de polímeros que contienen se reticula o endurece. Esta estructura y composición permiten a los hidrogeles retener grandes cantidades de líquido, lo que hace que muchos de ellos sean biocompatibles. El método de fabricación aditiva también permite a la esfera exterior transportar la carga terapéutica hasta el lugar del cuerpo donde se desee.
Los microrobots incorporan nanopartículas magnéticas y el fármaco terapéutico dentro de la estructura exterior de las esferas
Para desarrollar la receta del hidrogel y fabricar las microestructuras, Gao recurrió a Julia R. Greer, catedrática Ruben F. y Donna Mettler de Ciencia de los Materiales, Mecánica e Ingeniería Médica, directora de la Fundación Fletcher Jones del Instituto de Nanociencia Kavli y coautora del artículo. El grupo de Greer es experto en litografía de polimerización de dos fotones (TPP), una técnica que utiliza pulsos extremadamente rápidos de luz láser infrarroja para reticular selectivamente polímeros fotosensibles según un patrón determinado de forma muy precisa. La técnica permite construir una estructura capa a capa, de un modo que recuerda a las impresoras 3D, pero en este caso, con mucha mayor precisión y complejidad de formas. El grupo de Greer consiguió "escribir" o imprimir microestructuras de unas 30 micras de diámetro, aproximadamente el diámetro de un cabello humano.
"Esta forma concreta, esta esfera, es muy complicada de escribir", apunta Greer. "Hay que conocer ciertos trucos del oficio para evitar que las esferas se colapsen sobre sí mismas. Fuimos capaces no sólo de sintetizar la resina que contiene toda la biofuncionalización y todos los elementos médicamente necesarios, sino de escribirlos en una forma esférica precisa con la cavidad necesaria".
En su forma final, los microrobots incorporan nanopartículas magnéticas y el fármaco terapéutico dentro de la estructura exterior de las esferas. Las nanopartículas magnéticas permiten a los científicos dirigir los robots al lugar deseado mediante un campo magnético externo. Cuando los robots alcanzan su objetivo, permanecen en ese lugar y el fármaco se difunde pasivamente hacia el exterior.
El equipo demostró que las burbujas que han diseñado pueden conservarse hasta varios días con este tratamiento
Gao y sus colegas diseñaron el exterior de la microestructura para que fuera hidrófila, es decir, atraída por el agua, lo que garantiza que los robots individuales no se aglutinen mientras viajan por el cuerpo. Sin embargo, la superficie interior del microrobot no puede ser hidrófila porque necesita atrapar una burbuja de aire, y las burbujas son fáciles de colapsar o disolver.
Para construir microrobots híbridos que fueranhidrófilos en su exterior e hidrófobos, o repelentes al agua, en su interior, los investigadores idearon una modificación química en dos pasos. En primer lugar, unieron moléculas de carbono de cadena larga al hidrogel, haciendo que toda la estructura fuera hidrófoba. A continuación, los investigadores utilizaron una técnica llamada grabado con plasma de oxígeno para eliminar algunas de esas estructuras de carbono de cadena larga del exterior, dejando el exterior hidrófilo y el interior hidrófobo. "Esta fue una de las innovaciones clave de este proyecto", explica Gao. "Esta modificación asimétrica de la superficie, en la que el interior es hidrófobo y el exterior hidrófilo, nos permite realmente utilizar muchos robots y seguir atrapando burbujas durante un periodo prolongado en biofluidos, como la orina o el suero". De hecho, el equipo demostró que las burbujas pueden durar hasta varios días con este tratamiento, frente a los pocos minutos que serían posibles de otro modo.
La presencia de burbujas atrapadas también es crucial para mover los robots y seguirles la pista con imágenes en tiempo real. Por ejemplo, para permitir la propulsión, el equipo diseñó la esfera del microrobot con dos aberturas cilíndricas, una en la parte superior y otra en un lateral. Cuando los robots se exponen a un campo de ultrasonidos, las burbujas vibran y hacen que el fluido circundante se aleje de los robots a través de la abertura, propulsándolos a través del fluido. El equipo de Gao descubrió que el uso de dos aberturas daba a los robots la capacidad de moverse no sólo en diversos biofluidos viscosos, sino también a mayor velocidad de la que puede alcanzarse con una sola abertura.
Dentro de cada microestructura hay atrapada una burbuja en forma de huevo que sirve como excelente agente de contraste para imágenes por ultrasonidos, lo que permite monitorizar los robots in vivo en tiempo real. El equipo desarrolló una forma de rastrear los microrobots a medida que se desplazan hacia sus objetivos con la ayuda de los expertos en imágenes por ultrasonidos. La fase final de desarrollo consistió en probar los microrrobots como herramienta de administración de fármacos en ratones con tumores de vejiga. Los investigadores comprobaron que cuatro administraciones de la terapia proporcionada por los microrobots a lo largo de 21 días eran más eficaces para reducir el tamaño de los tumores que una terapia no administrada por robots.
"Creemos que se trata de una plataforma muy prometedora para la administración de fármacos y la cirugía de precisión", afirma Gao. "De cara al futuro, podríamos evaluar el uso de este robot como plataforma para administrar distintos tipos de cargas terapéuticas o agentes para distintas afecciones. Y a largo plazo, esperamos probarlo en humanos".