Bubble Bots:Microrobot Biokompatibel yang Secara Otonom Bernavigasi ke Tumor

INSIDER Robotika &Otomasi

Para ilmuwan menciptakan dua jenis bot gelembung yang berbeda. Yang diilustrasikan di bagian atas gambar ini dimodifikasi dengan nanopartikel magnetik dan diarahkan ke target tumor dengan magnet eksternal. Bot yang diilustrasikan di bawah memiliki enzim berbeda yang terikat pada permukaan dan mengikuti gradien kimia untuk menemukan target tumor secara mandiri. (Gambar:Gao Lab/Caltech)

Potensi mikrorobot sangat besar. Benda-benda mini ini dapat dirancang untuk melakukan tindakan di dalam tubuh, seperti merasakan biomarker, memanipulasi objek seperti bekuan darah, atau memberikan terapi obat ke lokasi tumor. Namun mencari cara untuk membuat bot kecil ini efektif, biokompatibel, dan hemat biaya merupakan sebuah tantangan. Kini tim yang dipimpin Caltech telah mengambil langkah besar menuju pembuatan robot mikro generasi berikutnya untuk pengiriman obat. Mereka telah menyederhanakan struktur mikrorobot dan metode produksinya, sekaligus menjadikan bot tersebut sangat efektif dan "cukup pintar" untuk mengarahkan dirinya ke tumor.

Tim ilmuwan Caltech dan USC menggambarkan bot gelembung dan keberhasilan penerapannya dalam mengobati tumor kandung kemih pada tikus dalam sebuah makalah yang muncul di jurnal Nature Nanotechnology edisi 2 Februari .

Tim tersebut, dipimpin oleh Wei Gao, Profesor Teknik Medis di Caltech dan Penyelidik Heritage Medical Research Institute, sebelumnya menggunakan pencitraan ultrasound dan panduan magnetis pada model hewan untuk mengirimkan robot cetak 3D mini ke tumor tempat mereka dapat terurai dan melepaskan muatannya:obat pelawan kanker. Robot mikro tersebut dibuat di ruang bersih dengan peralatan khusus dan menampilkan cangkang hidrogel yang terbuat dari polimer seperti jeli yang mengelilingi gelembung mikro. Cangkang ini membantu mendorong bot dan memberikan kontras pencitraan yang sangat baik sehingga peneliti dapat melacaknya di dalam tubuh.

"Kami berpikir, bagaimana jika kami membuatnya lebih sederhana, dan menjadikan gelembung itu sendiri sebagai robot?" kata Gao. "Kita bisa membuat gelembung dengan mudah dan sudah mengetahui bahwa gelembung tersebut sangat biokompatibel. Dan jika Anda ingin memecahkannya, Anda dapat segera melakukannya."

Tim mengembangkan metode untuk membuat bot gelembung sederhana. Dengan menggunakan probe ultrasonografi, mereka mengaduk larutan yang terdiri dari BSA (bovine serum albumin, standar protein hewani yang sering digunakan dalam eksperimen laboratorium) untuk membuat ribuan gelembung mikro dengan cangkang protein.

Selanjutnya, para ilmuwan memanfaatkan fitur lain dari cangkang protein, yaitu banyaknya gugus amina yang tersedia di permukaan. Gugus amina adalah kumpulan atom yang memiliki ikatan karbon-nitrogen, yang dapat dengan mudah dimodifikasi secara kimia. Dengan mengikat gugus amina tersebut, para peneliti menciptakan dua jenis robot mikro dengan cara berbeda untuk mengontrol pergerakannya. Dan obat antikanker seperti doxorubicin berhasil mengikat permukaan kedua versi tersebut.

Para ilmuwan menempelkan enzim urease ke permukaan kedua versi bot gelembung tersebut. Urease bertindak seperti mesin kecil untuk menggerakkan robot. Enzim tersebut mengkatalisis reaksi dengan urea, produk limbah melimpah yang ditemukan di seluruh tubuh yang berfungsi sebagai sejenis biofuel untuk robot, menghasilkan amonia dan karbon dioksida. Karena urease tidak terdistribusi secara merata pada permukaan gelembung, seiring berjalannya waktu, lebih banyak produk ini akan menumpuk di satu sisi dibandingkan sisi lainnya. Ketidakseimbangan tersebut menciptakan lingkungan kimia asimetris di sekitar gelembung, menghasilkan "dorongan" bersih yang mendorong robot mikro maju.

Pada versi pertama, tim menempelkan nanopartikel magnetik ke permukaan bot gelembung, menjadikannya responsif secara magnetis. Dengan bantuan pencitraan ultrasonografi pada gelembung mikro bagian dalam bot, bot gelembung dapat dikendalikan dengan magnet luar untuk menuju target di dalam tubuh.

Namun para peneliti ingin melangkah lebih jauh. “Kami ingin membuat robot lebih cerdas,” kata Gao. Mengetahui bahwa tumor dan peradangan menghasilkan konsentrasi hidrogen peroksida yang tinggi dibandingkan dengan sel normal, tim memutuskan untuk mengikat enzim tambahan yang disebut katalase ke permukaan robot mikro versi kedua. Katalase mendorong reaksi dengan hidrogen peroksida, menghasilkan air dan oksigen. Melalui apa yang dikenal sebagai perilaku kemotaktik, gelembung yang terikat katalase secara otomatis bergerak menuju konsentrasi hidrogen peroksida yang lebih tinggi, sehingga mengarahkannya menuju tumor.

"Dalam hal ini, Anda tidak memerlukan pencitraan apa pun; Anda tidak memerlukan kontrol eksternal apa pun. Robot ini cukup pintar untuk menemukan tumornya," jelas Gao. "Gerakan otonom robot gelembung, serta kemampuannya untuk merasakan gradien hidrogen peroksida, mengarah pada penargetan ini, yang kami sebut penargetan tumor kemotaktik."

Setelah robot gelembung tiba di targetnya, para ilmuwan dapat menggunakan USG terfokus untuk memecahkan gelembung tersebut dan melepaskan muatan terapeutiknya. Tindakan ledakan yang kuat tersebut meningkatkan penetrasi obat ke dalam tumor dibandingkan dengan robot hidrogel yang terdegradasi secara perlahan yang sebelumnya digunakan oleh tim.

Ketika para ilmuwan menyuntik tikus dengan bot gelembung untuk memberikan terapi antitumor, mereka mengamati penurunan berat tumor kandung kemih sekitar 60 persen selama rentang waktu 21 hari, dibandingkan dengan tikus yang hanya diberi obat tersebut.

"Platform robot gelembung ini sederhana, namun mengintegrasikan apa yang Anda perlukan untuk terapi:biokompatibilitas, gerakan yang dapat dikontrol, panduan pencitraan, dan pemicu sesuai permintaan yang membantu obat menembus lebih dalam ke dalam tumor. Tujuan kami adalah untuk mendekatkan robot mikro ke penggunaan klinis nyata, dan desain robot ini merupakan langkah besar ke arah itu," kata penulis utama makalah tersebut, Songsong Tang, yang menyelesaikan pekerjaan tersebut selama menjadi peneliti pascadoktoral di laboratorium Gao di Caltech.

Sumber