Los investigadores de ETH están desarrollando máquinas biológicas y tecnológicas diminutas y sofisticadas que permiten terapias selectivas no invasivas. Sus creaciones incluyen células modificadas genéticamente que se pueden activar a través de ondas cerebrales y enjambres de microrobots que facilitan la aplicación de medicamentos de alta precisión.
Richard Fleischner, quien dirigió la película de culto de 1966 Viaje fantástico , habría estado encantado con la investigación de Bradley Nelson: similar a la historia en la película de Fleischner, Nelson quiere cargar pequeños robots con drogas y maniobrarlos hasta el lugar preciso en el cuerpo humano donde se necesita tratamiento, por ejemplo, al sitio deun tumor canceroso. Alternativamente, las diminutas criaturas también podrían equiparse con instrumentos, lo que permite realizar operaciones sin intervención quirúrgica. Las ventajas en comparación con los tratamientos convencionales con medicamentos son claras: terapia mucho más dirigida y, como resultado, menos efectos secundarios.
materiales y diseños de ajuste fino
Nelson no es un soñador ni un narrador, es profesor de robótica y sistemas inteligentes en ETH Zurich, y tiene una reputación internacional por sus micro y nanorobots. Todavía tiene el récord mundial Guinness de "los más avanzadosmini robot para uso médico. "Sus robots suelen tener un tamaño de unos pocos micrómetros y están inspirados en la naturaleza. Deriva modelos para sus propios sistemas de propulsión mecánica a escala micrométrica mediante la observación de microorganismos y viendo, por ejemplo, cómo el flagelo -una especie de cola rizada que ayuda al movimiento funciona en las bacterias. Los robots obtienen la energía para moverse de un impulso externo, como un campo electromagnético.
Aunque esta visión parece ser ciencia ficción, el grupo de Nelson la está convirtiendo gradualmente en realidad: en un experimento in vivo, pudieron guiar con precisión un enjambre de 80,000 microrobots dentro de un ratón para demostrar la administración de un fármaco modelo a objetivos específicos.ubicaciones. Sin embargo, los investigadores todavía tienen que resolver una serie de preguntas antes de poder abordar el primer conjunto de aplicaciones en humanos. Las preguntas se centran en los materiales y el diseño: "Al diseñar robots como este, no podemos confiar en nuestra intuición porque, en esta pequeña escala, los materiales a menudo se comportan de manera diferente a lo que estamos acostumbrados ", explica Nelson. Las impresoras 3D especiales han ampliado la gama de materiales utilizados en el diseño de microrobot, yendo más allá de los metales semiconductores para incluir polímeros. Como resultado, el año pasado Nelson'sEl equipo en colaboración con el equipo del profesor Christofer Hierold pudo crear un robot a partir de un biopolímero biocompatible que se disuelve en el cuerpo después de completar su tarea.
En su última publicación, Nelson va un paso más allá. Los microrobots allí presentados pueden transformar su forma en función de las condiciones ambientales, por eso Nelson los llama "robots de origami". El cambio de forma puede ser estimulado por un cambio en elpH de los fluidos corporales, una diferencia de temperatura o un pulso de luz. La plasticidad de los robots se basa en una estructura multicapa con diferentes hidrogeles. Dado que los biopolímeros se expanden o contraen de manera diferente bajo estímulos externos, el robot puede cambiar de forma.
Nuevamente, la naturaleza proporcionó el modelo para el diseño: el Trypanosoma brucei la bacteria, el patógeno responsable de la enfermedad del sueño, tiene una forma estrecha y alargada para ayudar a que se mueva de manera eficiente en los fluidos corporales. Sin embargo, tan pronto como la bacteria está en el torrente sanguíneo y ya no tiene que propulsarse, se transforma en una, forma compacta: una opción de diseño adicional para un microrobot médico de máxima eficiencia.
"Hace quince años recién estábamos comenzando, pero hoy ya somos capaces de controlar muchos mecanismos diferentes con mucha precisión", dice Nelson. El próximo gran desafío es la autonomía: "Estamos examinando cómo podemos hacer que los microrobots sean inteligentes,", dice. Específicamente, una vez que se han liberado en el cuerpo, los investigadores quieren que los diminutos dispositivos encuentren los objetivos por sí mismos, tal como lo han estado haciendo los organismos unicelulares naturales durante millones de años.
Células como sistemas de vigilancia biológica
Nelson no es el único investigador de ETH que está replanteando fundamentalmente la medicina: Martin Fussenegger, profesor de biotecnología y bioingeniería, está planeando una revolución menor en la terapia médica. Él piensa que es "indignante" que simplemente bombeamos medicamentos a nuestros cuerpos, generalmenterelativamente tarde en el curso de la enfermedad, y luego esperar el efecto deseado.
Es por eso que su equipo en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Biosistemas D-BSSE en Basilea está siguiendo una ruta diferente, destinada a llevar el tratamiento al centro de la enfermedad. "Reprogramamos las células del cuerpo para que sean sistemas de vigilancia biológica. En el cuerpo, responden rápidamente a las enfermedades ", dice Fussenegger. Estas" prótesis moleculares "estarán destinadas a compensar los defectos metabólicos que son responsables de enfermedades como la diabetes, el cáncer y la obesidad.
Utilizando métodos moleculares estándar, Fussenegger puede reprogramar células de tal manera que un impulso externo las haga producir y excretar una sustancia activa deseada, generalmente ciertas proteínas. Su equipo usa la luz como impulso; aunque el campo de la optogenética todavía esbastante joven, ha hecho grandes avances en los últimos años en el control sistemático de células modificadas genéticamente utilizando luz. Hace dos años, Fussenegger logró por primera vez, en el modelo de ratón, estimular células humanas modificadas para liberar una proteína humana modelo a través de la irradiación con luzen el rango del infrarrojo cercano.
Uso de implantes para producir medicamentos
Para permitir el control más preciso posible, el grupo de Fussenegger desarrolló un implante sintético que combina la fuente de luz un diminuto LED infrarrojo y una cámara de cultivo semipermeable con las células modificadas genéticamente. Luego, la lámpara es alimentada inductivamente por un campo electromagnético externo.Este sofisticado sistema allana el camino para las terapias dirigidas por la mente, por ejemplo, mediante un electroencefalograma grabado en la frente del paciente. Fussenegger está seguro de que "estos sistemas de terapia optogenética serán un componente importante de la medicina personalizada". El implante probado en el ratónEl modelo era del tamaño de una moneda de 2 francos suizos. La próxima generación será más parecida a una cerilla y requerirá significativamente menos energía.
"En el futuro, la electricidad para activar la lámpara, y por lo tanto la producción de proteínas, también podría provenir de un teléfono inteligente o un reloj", predice Fussenegger. Esto abriría posibilidades completamente nuevas para la relación médico-paciente: un médicoen los EE. UU. podría controlar el nivel de insulina de un paciente con diabetes que actualmente viaja por Europa activando la producción de células de diseño a través de Internet. Al menos, esa es una visión de la medicina en la era venidera de Internet de las cosas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por ETH Zúrich . Original escrito por Samuel Schlaefli. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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