Skupina vědců z Technické univerzity v Mnichově (TUM) vyvinula prvního mikrorobota na světě, který se dokáže pohybovat ve skupinách buněk a stimulovat jednotlivé buňky.
Berna Özkale Edelmannová, profesorka nano- a mikrorobotiky, v tom vidí potenciál pro novou léčbu lidských onemocnění. Vědci novou technologii představují v časopise Advanced Healthcare Materials.
Jsou kulaté, o polovinu tlustší než lidský vlas, obsahují zlaté nanorodičky a fluorescenční barvivo a jsou obklopeny biomateriálem získaným z řas. Mohou být poháněny laserovým světlem, aby se pohybovaly mezi buňkami. Tyto malé roboty vynalezla profesorka Berna Özkale Edelmannová. Přesněji řečeno, bioinženýrka a ředitelka Laboratoře mikrorobotického bioinženýrství pracovala se svým týmem výzkumníků na vývoji technologické platformy pro velkovýrobu těchto vozítek. V současné době se používají in vitro, mimo lidské tělo.
Mikroboti TACSI se liší od klasických humanoidních robotů nebo robotických paží, které se používají v továrnách. Celý systém vyžaduje mikroskop pro zvětšení malých světů, počítač a laser pro pohon 30 mikrometrů (µm) velkých, člověkem řízených mikrobotů. Další zvláštnost: roboty lze nejen zahřívat. Neustále také indikují svou teplotu. To je důležité, protože spolu se schopností najít cestu k jednotlivým buňkám jsou určeny také k vyhřívání míst, kde se jednotlivé buňky nebo skupiny buněk nacházejí.
TACSI je zkratka pro Thermally Activated Cell-Signal Imaging (tepelně aktivované zobrazování buněčných signálů). Zjednodušeně řečeno se jedná o zobrazovací systém, který je schopen zahřívat buňky za účelem jejich aktivace. TACSI je „taxi“ v každém slova smyslu: v budoucnu bude tento malý robot „jezdit“ přímo na místo, kde chtějí vědci studovat buněčné procesy. „Jako první na světě jsme vyvinuli systém, který nejenže umožňuje mikrobotům procházet skupinami buněk. Může dokonce stimulovat jednotlivé buňky prostřednictvím změn teploty,“ říká profesor Özkale Edelmann.
Výroba mikrobotů je založena na “mikrofluidních čipech”, které modelují výrobní proces. Biomateriál se vstřikuje kanálem na levé straně čipu. Shora a zespodu se pak přidává olej se specifickými složkami prostřednictvím kanálků o průměru 15-60 µm. Hotoví roboti se objeví vpravo. V případě mikrobota TACSI se přidávají následující komponenty:
Fluorescenční barvivo: v tomto případě je použito oranžové barvivo rhodamin B, které s rostoucí teplotou ztrácí intenzitu barvy. Tím se mikrobot stává pro pozorovatele účinným teploměrem.
Zlaté nanopruty: tyčinky z drahých kovů o velikosti 25-90 nanometrů (nm) mají tu vlastnost, že se při bombardování laserovým světlem rychle zahřívají (a opět ochlazují). Ke zvýšení teploty robota o 5 °C stačí několik mikrosekund. Nanopruty lze zahřát až na 60 °C. Díky automatickému procesu vyrovnávání teploty nanorodů (tzv. konvekci) se roboti dají do pohybu maximální rychlostí 65 µm za sekundu.
„To umožňuje vyrobit až 10 000 mikrobotů v jedné výrobní sérii,“ vysvětluje Philipp Harder, člen výzkumného týmu.
K ovlivnění buněčných procesů někdy stačí i malé změny teploty. „Když je kůže poraněna, například pořezáním, tělesná teplota se mírně zvýší, což způsobí aktivaci imunitního systému,“ vysvětluje profesor Özkale Edelmann. Chce se dozvědět více o tom, zda lze tuto „tepelnou stimulaci“ využít k hojení ran. Chybí také výzkum, zda se rakovinné buňky při stimulaci stávají agresivnějšími. Současné studie ukazují, že rakovinné buňky při vysokých teplotách (60 °C) odumírají. Tento účinek lze využít také k léčbě srdeční arytmie a deprese.
Vědci z týmu profesora Özkaleho Edelmanna použili ledvinové buňky, aby prokázali, že lze ovlivnit buněčné iontové kanály. Za tímto účelem navedli mikroboty TACSI k buňkám. „Ke zvýšení teploty jsme použili infračervený laser. K měření tohoto zvýšení jsme měřili intenzitu barvy barviva rhodamin B“ vysvětluje Philipp Harder. Tým pozoroval, že se iontové kanály buněk při určité teplotě otevírají, například aby umožnily vstup vápníku do buňky. „Na tomto konkrétním příkladu jsme ukázali, že teplo způsobuje změny v buňce i při mírném zvýšení teploty,“ říká profesor Özkale Edelmann. Doufá, že další výzkum ukáže cestu k novým způsobům léčby – například tím, že umožní nasměrovat léky do jednotlivých buněk.
Zdroj: Edelmannová, PhD: Edelmannová: Technická univerzita v Mnichově