ABONNEZ VOUS A NOTRE NEWSLETTERDes robots microscopiques de natation sont actuellement en cours de développement et pourraient naviguer dans le corps pour effectuer des tâches médicales telles que la fourniture de thérapies ou de chirurgies spécifiques contre le cancer. Dans une étude publiée le 24 mars dans Science Robotics , des scientifiques ont fabriqué des micro-robots contrôlés magnétiquement à partir de neutrophiles, un type de globule blanc. Chez la souris, ces neutrobots ont pénétré la barrière hémato-encéphalique (BHE) pour administrer des médicaments aux cellules cancéreuses du cerveau.
«C’est une idée très intéressante», déclare Liangfang Zhang, nano-ingénieur et bio-ingénieur à l’Université de Californie à San Diego, qui n’a pas participé à l’étude. «Je dirais que ce travail est toujours une étude de preuve de concept, mais je pense que le concept général est nouveau. C’est intéressant parce que c’est une nouvelle façon de penser à la façon d’envoyer une charge au cerveau. ”
L’un des principaux obstacles dans le traitement des maladies neurologiques est de faire traverser la BHE aux médicaments, une frontière très sélective qui refuse l’admission de la plupart des substances dans le cerveau. Cependant, certains globules blancs ont un accès spécial pour traiter l’infection et l’inflammation, ce qui en fait de bons chevaux de Troie pour obtenir des médicaments à travers ce blocage. Dans des études antérieures, les scientifiques ont chargé des médicaments contre le cancer du cerveau sur des neutrophiles et des macrophages, qui ont une capacité naturelle à rechercher le cancer car ils nagent vers des concentrations plus élevées de produits chimiques inflammatoires libérés par les tissus malades.
Mais les précédentes itérations de cellules immunitaires porteuses de médicaments n’ont pas réussi à traiter complètement les tumeurs cérébrales de souris, probablement en partie à cause d’une lente migration vers le site de la maladie. Pour améliorer la vitesse et le contrôle, les scientifiques ont équipé des micro-robots à base de spermatozoïdes, de bactéries ou de globules rouges d’un matériau magnétique pour les guider à l’extérieur avec des champs magnétiques, explique Zhiguang Wu, bio-ingénieur à l’Institut de technologie de Harbin (Chine) et co- auteur de la nouvelle étude.
Pour traiter le gliome, un type de cancer du cerveau, chez la souris, Wu et ses collègues ont conçu des microrobots à base de neutrophiles – des neutralisants – qui pourraient être contrôlés par un champ magnétique. Tout d’abord, l’équipe a fabriqué des nanoparticules à partir d’un gel incorporé avec des billes d’oxyde de fer magnétiques et du paclitaxel, un médicament anticancéreux largement utilisé. Les nanoparticules ont ensuite été enroulées autour de la membrane de la bactérie E. coli. Déguisées en bactéries nocives, les nanoparticules ont été englouties par les neutrophiles de souris in vitro beaucoup plus facilement que les nanoparticules nues. Les scientifiques ont découvert que le revêtement bactérien empêchait également les fuites prématurées de médicament et rendait les particules moins toxiques pour les neutrophiles.
L’équipe a testé les capacités de navigation et d’administration de médicaments des neutrophiles in vitro. Sous le contrôle d’un champ magnétique rotatif, les neutrophiles ont atteint une vitesse de 16,4 µm par seconde, environ 50 fois plus rapide que les neutrophiles naturels. En surveillant les neutrophiles au microscope, les scientifiques ont pu les diriger pour se déplacer dans des orientations complexes sur un substrat artificiel.
Pour tester la capacité des neutrophiles à rechercher l’inflammation, les scientifiques les ont placés sur un gel avec un gradient de concentration d’un facteur inflammatoire. Les neutrophiles ont migré vers des concentrations plus élevées du produit chimique à une vitesse similaire à celle des neutrophiles naturels. Et dans un modèle BBB, les neutrophiles ont pénétré dans les cellules de souris cultivées sur membrane pour accéder aux cellules de gliome et ont libéré leur charge médicamenteuse lors de l’exposition à des signaux d’inflammation.
Enfin, les scientifiques ont testé si les robots pouvaient traiter le cancer du cerveau chez la souris. Premièrement, ils ont injecté des cellules de gliome dans le cerveau des souris. Après 10 jours, ils ont opéré certaines des souris pour enlever une partie de la tumeur afin d’améliorer les signaux inflammatoires qui attirent les neutrophiles. Les scientifiques ont injecté des neutrophiles dans la queue de toutes les souris et, dans un sous-ensemble d’entre eux, ont utilisé un champ magnétique rotatif pour diriger les neutrophiles vers le cerveau. En utilisant l’imagerie par résonance magnétique (IRM), l’équipe a constaté que plus de neutrophiles s’accumulaient autour des gliomes chez les souris traitées à la fois par chirurgie et par champ magnétique, par rapport aux souris qui n’étaient pas exposées au champ magnétique, n’avaient pas subi de chirurgie ou n’avaient reçu ni l’un ni l’autre. Les souris doublement traitées ont également survécu plus longtemps, montrant que les deux interventions se complétaient. La microscopie électronique à transmission a confirmé que les neutrophiles ont pénétré le BBB et pénétré dans le tissu du gliome.
Toutes les souris traitées avec des neutrobots ont survécu plus longtemps que les animaux traités avec seulement une injection de solution saline ou de paclitaxel, ce qui indique que les neutrobots pourraient continuer à administrer des médicaments via le BBB en réponse à un signal inflammatoire faible ou à un signal inflammatoire fort sans propulsion magnétique.
Selon Zhang, les composants individuels de l’étude – l’utilisation de cellules immunitaires comme vecteurs de médicaments, de nanoparticules contrôlées magnétiquement et de membranes bactériennes en tant que couches – ne sont pas nouveaux. «Mais ce qu’ils ont fait, c’est d’intégrer ces composants individuels communs et de les assembler dans un nouveau système», dit-il. “Ils ont développé une fonctionnalité tout à fait unique: le contrôle à longue portée des neutrophiles.”
Des robots contre le cancer à la clinique ?
Mariana Medina-Sánchez, bio-ingénieur au Leibniz Institute for Solid State and Materials Research à Dresde (Allemagne), qui n’a pas participé à la recherche, affirme que l’étude est précieuse car elle démontre l’efficacité du traitement des tumeurs in vivo, un objectif de nombreux scientifiques dans ce domaine. «[L’étude] est complète, elle est systématique et il existe des preuves solides que ce qu’ils ont développé fonctionne», dit-il.
Mais avant que les micro-robots puissent être utilisés pour traiter le cancer chez l’homme, un certain nombre de défis doivent encore être surmontés. L’un d’eux est d’améliorer le pourcentage de micro-robots qui atteignent la tumeur. «Ils avaient une accumulation de ces microrobots à base de neutrophiles d’environ onze pour cent sur le site de la maladie [in vivo]. Et les autres? », Déclare Medina-Sánchez. Les micro-robots pourraient s’accumuler dans d’autres organes ou régions du corps, et les effets secondaires à long terme sont inconnus, dit-il. «Mais cela se produit avec n’importe quel type de micro-robot, pas seulement ce travail en particulier. C’est un défi pour tous [à surmonter] ».
Une fois que les microbots arrivent sur le site de la maladie, un autre obstacle consiste à s’assurer qu’ils délivrent suffisamment de médicament. “Vous devez augmenter la charge totale du médicament à l’intérieur, et vous devez également contrôler sa libération prématurée”, explique Zhang. Les neutrophiles mettent du temps à atteindre leur destination. Vous ne voulez pas qu’ils vident l’intégralité de la charge utile avant d’atteindre la destination. ”
Puisqu’un seul micro-robot ne peut pas transporter suffisamment de médicaments pour traiter une maladie, les scientifiques tentent également de comprendre comment ils pullulent, à l’instar des mouvements collectifs de groupes de fourmis, de poissons ou d’oiseaux. «Si la quantité de médicament chargée par le micro-robot est connue, la dose de médicament peut être contrôlée en essaimant ces micro-robots de manière contrôlée», explique Medina-Sánchez. “C’est donc l’un des défis: comment transporter plusieurs [micro-robots] de manière contrôlée et les amener à un certain endroit.” Wu et ses collègues ont découvert que les neutrophiles formaient des chaînes de quatre in vitro et que ces essaims nageaient environ cinq fois plus vite que les robots individuels. Mais selon Medina-Sánchez, d’autres scientifiques de micro-robots aspirent à en essaimer des centaines, des milliers, voire des millions. «Cela dépend de l’objectif et du lieu», dit-il. “Vous n’en aurez peut-être besoin que de quelques-uns ou des millions.”
On ne sait pas comment les neutrophiles se regroupent chez la souris, car les techniques d’imagerie actuelles ne sont pas assez bonnes pour suivre des chaînes individuelles ou de petites chaînes de microrobots en temps réel avec une résolution suffisamment élevée in vivo, ce qui pose un autre défi pour la navigation précise de ces minuscules messagers de médicaments chez l’homme.
Source anglaise : The scientifique
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