Microrobot Revolusioner Mengecilkan Tumor dalam Studi Terobosan
Para peneliti di Caltech telah mengembangkan mikrorobot akustik bioresorbable (BAM) yang mampu memberikan obat terapeutik secara tepat ke area yang ditargetkan di dalam tubuh.
Robot mikro berbasis hidrogel berbentuk bola ini, dilengkapi dengan nanopartikel magnetik untuk navigasi dan mekanisme pelepasan obat, telah berhasil mengecilkan tumor kandung kemih pada tikus. Teknologi ini menjanjikan kemajuan dalam pemberian obat yang ditargetkan dan pembedahan yang presisi.
Mikrorobot Terapi
Di masa depan, memberikan obat-obatan terapeutik tepat di tempat yang dibutuhkan dalam tubuh mungkin merupakan pekerjaan robot mini – bukan robot humanoid logam atau mesin yang terinspirasi dari bio, tetapi bola kecil seperti gelembung.
Robot mikro ini menghadapi beberapa tantangan kompleks. Mereka harus bertahan hidup di lingkungan tubuh yang keras seperti perut[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>acid, be remotely controllable to reach specific targets, and release their medicine only upon arrival. Afterward, they need to dissolve harmlessly in the body.
Breakthrough in Microrobot Development
A Caltech-led team has developed microrobots that meet all these requirements. In laboratory tests, the robots successfully delivered medication that shrank bladder tumors in mice. The research is detailed today (December 11) in the journal Science Robotics.
“We have designed a single platform that can address all of these problems,” says Wei Gao, professor of medical engineering at Caltech, Heritage Medical Research Institute Investigator, and co-corresponding author of the new paper about the bots, which the team calls bioresorbable acoustic microrobots (BAM).
Sebuah tim interdisipliner yang dipimpin oleh Wei Gao dari Caltech telah menciptakan robot mikro kecil seperti gelembung yang dapat memberikan terapi tepat di tempat yang dibutuhkan dan kemudian diserap oleh tubuh. Dengan menggunakan bot, tim berhasil memberikan terapi yang mengurangi ukuran tumor kandung kemih pada tikus. Sebuah makalah yang menjelaskan pekerjaan tersebut muncul di jurnal Science Robotics. Kredit: Caltech
Mekanisme Pengiriman Obat Tingkat Lanjut
“Daripada memasukkan obat ke dalam tubuh dan membiarkannya menyebar ke mana-mana, sekarang kita dapat mengarahkan robot mikro kita langsung ke lokasi tumor dan melepaskan obat dengan cara yang terkontrol dan efisien,” kata Gao.
Konsep robot mikro atau nano bukanlah hal baru. Orang-orang telah mengembangkan versi ini selama dua dekade terakhir. Namun, sejauh ini, penerapannya dalam sistem kehidupan masih terbatas karena sangat sulit untuk memindahkan objek dengan presisi tinggi dalam biofluida kompleks seperti darah, urin, atau air liur, kata Gao. Robot-robot tersebut juga harus bersifat biokompatibel dan bioresorbable, artinya tidak meninggalkan racun apa pun di dalam tubuh.
Konstruksi Microrobot Berbasis Hidrogel
Robot mikro yang dikembangkan Caltech adalah struktur mikro berbentuk bola yang terbuat dari hidrogel yang disebut poli(etilen glikol) diakrilat. Hidrogel adalah bahan yang awalnya berbentuk cair atau resin dan menjadi padat ketika jaringan polimer yang terdapat di dalamnya menjadi terikat silang, atau mengeras. Struktur dan komposisi ini memungkinkan hidrogel menahan sejumlah besar cairan, sehingga banyak diantaranya yang bersifat biokompatibel. Metode fabrikasi manufaktur aditif juga memungkinkan bola luar membawa muatan terapeutik ke lokasi target di dalam tubuh.
Untuk mengembangkan resep hidrogel dan membuat struktur mikro, Gao beralih ke Julia R. Greer dari Caltech, Profesor Ilmu Material, Mekanika dan Teknik Medis dari Ruben F. dan Donna Mettler, Direktur Yayasan Fletcher Jones di Kavli Nanoscience InstituteDan rekan penulis makalah ini. Kelompok Greer memiliki keahlian dalam litografi polimerisasi dua foton (TPP), suatu teknik yang menggunakan pulsa sinar laser inframerah yang sangat cepat untuk secara selektif menghubungkan polimer fotosensitif menurut pola tertentu dengan cara yang sangat tepat. Teknik ini memungkinkan struktur dibangun lapis demi lapis, dengan cara yang mengingatkan kita pada printer 3D, namun dalam kasus ini, dengan presisi dan kompleksitas bentuk yang jauh lebih besar.
Kelompok Greer berhasil “menulis”, atau mencetak, struktur mikro yang berdiameter sekitar 30 mikron—kira-kira sama dengan diameter rambut manusia.
“Bentuk khusus ini, bola ini, sangat rumit untuk ditulis,” kata Greer. “Anda harus mengetahui trik-trik tertentu dalam perdagangan agar bola tersebut tidak runtuh dengan sendirinya. Kami tidak hanya dapat mensintesis resin yang mengandung semua biofungsionalisasi dan semua elemen yang diperlukan secara medis, namun kami juga dapat menulisnya dalam bentuk bola yang tepat dengan rongga yang diperlukan.”
Fitur Struktural dan Fungsional Microrobots
Dalam bentuk akhirnya, robot mikro menggabungkan nanopartikel magnetik dan obat terapeutik di dalam struktur luar bola. Nanopartikel magnetik memungkinkan para ilmuwan mengarahkan robot ke lokasi yang diinginkan menggunakan medan magnet eksternal. Ketika robot mencapai targetnya, mereka tetap berada di tempat itu, dan obat tersebut secara pasif berdifusi keluar.
Gao dan rekannya merancang bagian luar struktur mikro menjadi hidrofilik—yaitu tertarik pada air—yang memastikan bahwa masing-masing robot tidak menggumpal saat bergerak melalui tubuh. Namun, permukaan bagian dalam robot mikro tidak dapat bersifat hidrofilik karena perlu memerangkap gelembung udara, dan gelembung tersebut mudah pecah atau larut.
Untuk membuat robot mikro hibrida yang bersifat hidrofilik di bagian luarnya dan hidrofobik, atau anti air, di bagian dalamnya, para peneliti merancang modifikasi kimia dua langkah. Pertama, mereka menempelkan molekul karbon rantai panjang ke hidrogel, membuat seluruh struktur menjadi hidrofobik. Kemudian para peneliti menggunakan teknik yang disebut oksigen plasma etsa untuk menghilangkan beberapa struktur karbon rantai panjang dari bagian dalam, sehingga bagian luar bersifat hidrofobik dan bagian dalam bersifat hidrofilik.
“Ini adalah salah satu inovasi utama dari proyek ini,” kata Gao, yang juga merupakan Sarjana Ronald dan JoAnne Willens. “Modifikasi permukaan asimetris ini, di mana bagian dalamnya bersifat hidrofobik dan bagian luar bersifat hidrofilik, benar-benar memungkinkan kita menggunakan banyak robot dan tetap memerangkap gelembung untuk jangka waktu yang lama dalam biofluida, seperti urin atau serum.”
Mobilitas Tingkat Lanjut dan Kemampuan Pencitraan
Memang benar, tim menunjukkan bahwa gelembung dapat bertahan selama beberapa hari dengan perawatan ini dibandingkan beberapa menit yang mungkin terjadi.
Kehadiran gelembung yang terperangkap juga penting untuk menggerakkan robot dan melacaknya dengan pencitraan waktu nyata. Misalnya, untuk mengaktifkan tenaga penggerak, tim merancang bola mikrorobot yang memiliki dua bukaan seperti silinder—satu di bagian atas dan satu lagi di satu sisi. Ketika robot terkena medan ultrasonik, gelembung-gelembung tersebut bergetar, menyebabkan cairan di sekitarnya mengalir menjauh dari robot melalui lubang tersebut, sehingga mendorong robot melewati cairan tersebut. Tim Gao menemukan bahwa penggunaan dua bukaan memberi robot kemampuan untuk bergerak tidak hanya dalam berbagai biofluida kental, tetapi juga dengan kecepatan lebih tinggi daripada yang dapat dicapai dengan satu bukaan.
Terperangkap dalam setiap mikrostruktur adalah gelembung seperti telur yang berfungsi sebagai agen kontras pencitraan USG yang sangat baik, memungkinkan pemantauan bot secara real-time. secara alami. Tim mengembangkan cara untuk melacak robot mikro saat mereka bergerak menuju targetnya dengan bantuan ahli pencitraan ultrasound Mikhail Shapiro, Profesor Teknik Kimia dan Teknik Medis Max Delbruck di Caltech, Penyelidik Institut Medis Howard Hughes; rekan penulis Di Wu, ilmuwan riset dan direktur DeepMIC Center di Caltech; dan rekan penulis Qifa Zhou, profesor oftalmologi dan teknik biomedis di USC.
Hasil Uji Praklinis yang Menjanjikan
Tahap akhir pengembangan melibatkan pengujian robot mikro sebagai alat penghantaran obat pada tikus dengan tumor kandung kemih. Para peneliti menemukan bahwa empat pemberian terapi yang diberikan oleh robot mikro selama 21 hari lebih efektif dalam mengecilkan tumor dibandingkan terapi yang tidak diberikan oleh robot.
“Kami pikir ini adalah platform yang sangat menjanjikan untuk pemberian obat dan operasi yang presisi,” kata Gao. “Di masa depan, kami dapat mengevaluasi penggunaan robot ini sebagai platform untuk mengirimkan berbagai jenis muatan atau agen terapeutik untuk berbagai kondisi. Dan dalam jangka panjang, kami berharap dapat mengujinya pada manusia.”
Referensi: “Robot mikro hidrogel akustik bioresorbable yang dipandu pencitraan” oleh Hong Han, Xiaotian Ma, Weiting Deng, Junhang Zhang, Songsong Tang, On Shun Pak, Lailai Zhu, Ernesto Criado-Hidalgo, Chen Gong, Emil Karshalev, Jounghyun Yoo, Ming You , Ann Liu, Canran Wang, Hao K. Shen, Payal N. Patel, Claire L. Hays, Peter J. Gunnarson, Lei Li, Yang Zhang, John O. Dabiri, Lihong V. Wang, Mikhail G. Shapiro, Di Wu, Qifa Zhou, Julia R. Greer dan Wei Gao, 11 Desember 2024, Robotika Sains.
DOI: 10.1126/scirobotics.adp3593
Penulis utama makalah, “Microrobot hidrogel akustik bioresorbable yang dipandu pencitraan,” adalah Hong Han (MS '23) dan Xiaotian Ma (MS '24) dari lab Gao, Weiting Deng (PhD '24), yang sekarang menjadi post-doc pada Universitas California yang melakukan pekerjaan ini saat berada di lab Greer, dan Junhang Zhang dari lab Zhou di USC. Penulis Caltech tambahan adalah Songsong Tang, Ernesto Criado-Hidalgo, Emil Karshalev (sekarang di General Atomics), Jounghyun Yoo, Ming You, Ann Liu, Canran Wang (MS '23), Hao K. Shen, Payal N. Patel, Claire L . Hays, Peter J. Gunnarson (PhD '24), Lei Li (PhD '19), Yang Zhang, John O. Dabiri (PhD '05), Profesor Centennial Caltech Teknik Penerbangan dan Mesin; dan Lihong V. Wang, Profesor Teknik Medis dan Teknik Elektro Bren Caltech, dan Ketua Kepemimpinan Teknik Medis Andrew dan Peggy Cherng. Penulis tambahan adalah On Shun Pak dari Santa Clara University, Lailai Zhu dari National University of Singapore, dan Chen Gong dari USC.
Pekerjaan ini didukung oleh Kavli Nanoscience Institute di Caltech serta pendanaan dari National Science Foundation; Institut Penelitian Medis Warisan; Dana Penelitian Akademis Kementerian Pendidikan Singapura; itu Institut Kesehatan Nasional; Kantor Penelitian Angkatan Darat melalui Institut Bioteknologi Kolaboratif; Caltech DeepMIC Center, dengan dukungan dari Caltech Beckman Institute dan Arnold and Mabel Beckman Foundation; dan Yayasan David dan Lucile Packard.
