Nanorobot a forma di elica penetrano corpo vitreo degli occhi

Un team internazionale di ricercatori ha sviluppato dei nanorobot che possono attraversare il corpo vitreo degli occhi senza causare alcun danno, con un potenziale d’uso come strumento per la somministrazione mirata dei farmaci minimamente invasiva.

 

Immagine 1 - Schema della procedura di somministrazione mirata utilizzata per le nanoeliche. Credits: Max Planck Institute for Intelligent Systems

 

Nanorobot che sono in grado di muoversi in maniera attiva nel corpo vitreo dell’occhio

Gli scienziati hanno sviluppato dei robot dalle dimensioni nanometriche che possono muoversi in maniera attiva attraverso un tessuto denso come il corpo vitreo dell'occhio. Fino ad ora, la possibilità di utilizzare tali nanorobot era stata dimostrata  soltanto in sistemi modello o nei fluidi biologici ma non nei tessuti reali.

 

Il lavoro di ricerca è stato pubblicato sulla rivista Science Advances e costituisce un ulteriore passo avanti nei confronti dei nanorobot che diventano strumenti minimamente invasivi per la somministrazione mirata dei farmaci dove è necessario.

 

I ricercatori del laboratorio "Micro, nano and Molecular Systems" presso il Max Planck Institute for Intelligent Systems di Stoccarda insieme ad un team internazionale di scienziati hanno sviluppato dei nanorobot a forma di elica che, per la prima volta, sono in grado di penetrare attraverso il tessuto denso del corpo vitreo di un occhio.

 

Nanorobot in grado di attraversare la stretta matrice molecolare della sostanza gelatinosa del corpo vitreo

 

Le nanoeliche sono state rivestite con un materiale antiaderente e hanno una larghezza di 500 nm, sono abbastanza piccole da passare attraverso la stretta matrice molecolare della sostanza gelatinosa che si trova nel corpo vitreo. Le punte delle nanoeliche sono 200 volte più piccole del diametro di un pelo umano e sono anche più piccole di un batterio.

La forma particolare e il rivestimento antiaderente permettono alle nanoeliche di spostarsi relativamente senza ostacoli attraverso un occhio senza danneggiare il tessuto biologico sensibile che le circonda.

 

Immagine 2 - immagine delle nanoeliche. La matrice molecolare è come una maglia stretta di nastro biadesivo. Credits: Max Planck Institute for Intelligent Systems

 

Questa è la prima volta che gli scienziati sono stati in grado di guidare i nanorobot attraverso il tessuto denso del corpo vitreo di un occhio.

I ricercatori sperano in futuro di poter caricare a bordo delle nanoeliche farmaci o altri agenti terapeutici e di condurle verso una zona specifica di destinazione, in questo modo il farmaco verrà somministrato solo dove è necessario.

 

 

Gli ostacoli che hanno dovuto superare i ricercatori nel realizzare le nanoeliche

La somministrazione mirata di farmaci all'interno di un tessuto biologico denso è molto impegnativa, soprattutto quando parliamo di livelli molecolari.

Il primo problema che bisogna affrontare è rappresentato dalla consistenza viscosa della parte interna del bulbo oculare, la stretta matrice molecolare che deve essere attraversata da una nanoelica. Tale matrice molecolare serve da barriera e impedisce il passaggio a strutture più grandi.

La seconda difficoltà, anche se vengono soddisfatti i requisiti relativi alle dimensioni, è dovuta alle proprietà chimiche della rete biopolimerica che si trova negli occhi: a causa di tali caratteristiche chimiche le nanoeliche resterebbero bloccate in tale maglia molecolare. Immaginate un cavatappi con una spirale a elica che tenta di farsi strada attraverso una rete di nastro biadesivo.

In terzo luogo abbiamo la difficoltà di un'attuazione precisa. Gli scienziati sono riusciti a superare tale ostacolo aggiungendo un materiale magnetico come il ferro durante il processo produttivo delle nanoeliche, il metallo permette ai ricercatori di guidare le punte delle nanoeliche attraverso l’uso di campi magnetici verso la zona desiderata.

I ricercatori hanno dovuto inoltre rendere ogni nanoelica delle dimensioni non superiori a 500 nm e hanno dovuto applicare un rivestimento antiaderente a doppio strato. Il primo strato è costituito da molecole legate alla superficie, mentre il secondo è un rivestimento con fluorocarburo liquido. Questo fa in modo di ridurre drasticamente l’attrito tra i nanorobot e il tessuto circostante.

L'ispirazione per il rivestimento è venuta dalla superficie della trappola di una pianta carnivora

«Per il rivestimento ci ispiriamo alla alla natura», scrive Zhiguang Wu primo autore dello studio. Zhiguang Wu è stato borsista di ricerca presso il MPI-IS e ora è ricercatore presso il California Institute of Technology. «Nella seconda fase, abbiamo applicato uno strato liquido fatto con una sostanza che si trova sulla trappola di una pianta carnivora, tale sostanza rende la superficie sdrucciolevole sul peristoma in modo da catturare gli insetti.

Funziona come il rivestimento in teflon di una padella. Questo rivestimento scivoloso è cruciale per avere una propulsione efficiente dei nostri robot all'interno dell'occhio, in quanto minimizza l’attrito tra la rete proteica biologica nel corpo vitreo e la superficie dei nostri nanorobot».

 

I nanorobot potranno essere utilizzati per una varietà di tessuti diversi nel corpo umano

 

«Il principio che permette la propulsione dei nanorobot, le loro piccole dimensioni e il rivestimento scivoloso potranno essere utilizzati non solo negli occhi ma per la penetrazione di una varietà di tessuti nel corpo umano» scrive Tian Qiu, un altro autore dello studio e ricercatore presso il laboratorio "Micro, nano and Molecular Systems" del Max Planck Institute for Intelligent Systems.

 

Sia Qiu sia Wu fanno parte di un team di ricerca internazionale che ha condotto la ricerca sulle nanoeliche i cui risultati sono stati pubblicati nello studio "A swarm of slippery micropropellers penetrates the vitreous body of the eye". Inoltre, l'Università di Stoccarda, il Max Planck Institute for Medical Research in Heidelberg, the Harbin Institute of Technology in China, la Aarhus University in Danimarca e the Eye Hospital of the University of Tübingen hanno contribuito al lavoro pionieristico.

I ricercatori hanno esaminato le nanoeliche in azione all’interno di un occhio di un maiale e hanno osservato il movimento delle nanoeliche con l'aiuto della  tomografia ottica a coerenza di fase (in inglese Optical coherence tomography, OCT, conosciuta anche come tomografia a coerenza ottica), una tecnica diagnostica per immagini non invasiva ampiamente usata nel diagnosticare le malattie oculari: tale metodologia analizza le strutture oculari (soprattutto della retina e della cornea) mediante sezioni ad alta risoluzione.

Immagine 3 - i ricercatori hanno analizzato l'occhio di un maiale e hanno osservato il movimento delle nanoeliche con l'aiuto della  tomografia ottica a coerenza di fase. Credits: Max Planck Institute for Intelligent Systems.

 

Attraverso l'occhio verso la retina

 

I ricercatori hanno iniettato decine di migliaia di nanorobot nel corpo vitreo dell'occhio utilizzando un piccolo ago. Grazie ad un campo magnetico hanno ruotato le nanoeliche e le hanno guidate verso la retina.

L’obiettivo a cui miravano i ricercatori era quello di controllare con precisione lo sciame di nanorobot in tempo reale.

 

Ma non finisce qui: il team sta già lavorando affinché un giorno le nanoeliche possano funzionare per erogare farmaci in maniera precisa.

«Questa è la nostra visione» scrive Tian Qiu. «Vogliamo essere in grado di utilizzare le nostre nanoeliche come strumenti nel trattamento minimamente invasivo di tutti i tipi di malattie, quando la zona problematica è difficile da raggiungere ed è circondata da tessuto denso. In un futuro non troppo lontano, saremo in grado di caricare le nanoeliche con dei farmaci».

 

Per gli scienziati di Stoccarda non si tratta del primo nanorobot. Da diversi anni infatti i ricercatori hanno sviluppato diversi tipi di nanorobot utilizzando un sofisticato processo di stampa 3D sviluppato dal gruppo di ricerca del “Micro, nano and Molecular Systems" del Max Planck Institute for Intelligent Systems” guidato dal prof. Peer Fischer. Miliardi di nanorobot possono essere prodotti in poche ore vaporizzando del biossido di silicio insieme ad altri materiali (compreso il ferro) su un wafer di silicio mantenuto sotto vuoto spinto mentre ruota. Ecco quindi come viene creata la struttura ad elica.

 

Nel seguente video viene spiegata la tecnica di produzione:

 

Lo studio “A swarm of slippery micropropellers penetrates the vitreous body of the eye” è stato pubblicato sulla rivista Science Advances.