Millones de nanorrobots se mueven de forma colectiva como las bandadas de pájaros o los bancos de peces

Investigadores españoles han diseñado unos robots casi infinitamente pequeños que se mueven de forma colectiva aunque sean millones. Y han podido rastrear el enjambre usando un sistema de imagen bastante más sofisticado que los rayos X. La combinación de ambos logros acerca el todavía sueño de la medicina personalizada.

Los nanorrobots, creados por un equipo del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC), son esferas de silicio de un diámetro de 507 nanómetros (un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro). A pesar de su reducido tamaño, pueden convertirse en taxis que transporten varias partículas aún más pequeñas que funcionen como nanofármacos. Ya se han diseñado cosas así antes, pero hacía falta un motor que les permitiera moverse hasta el objetivo. Este nanomotor han resultado ser unas enzimas adheridas a la esfera que hace de chasis del vehículo. Los investigadores aprovecharon la propia reacción química que se inicia cuando estas moléculas entran en contacto con un sustrato determinado para dotar de movilidad a su ingenio. En este caso, el nanomotor era la ureasa y el combustible, la urea, el principal compuesto de la orina.

Samuel Sánchez es el líder de este grupo del IBEC centrado en crear nanodispositivos biológicos. “Para lograr que este chasis de óxido de silicio se moviera necesitábamos ponerle un motor y lo encontramos en las enzimas, catalizadores que generan un flujo”, explica. “Probamos con varias enzimas hasta que llegamos a la ureasa, que reacciona solo cuando hay un sustrato específico, la urea. Lo que hace la enzima es descomponer la urea en CO₂ por un lado y amoníaco por el otro y esto genera propulsión”, detalla. Ya solventaban uno de los grandes problemas de la nanomedicina, lograr movimiento sin tener que recurrir a un elemento extraño, un combustible exterior. Todo esto y más lo detallan en un artículo recién publicado en la revista Science Robotics.

Los nanorrobots usan la reacción química de una enzima que llevan encima con la urea para moverse como si fuera un motor de propulsión

“Hay una amplia librería con enzimas para distintos sustratos”, comenta Sánchez, pero la ureasa es la que mejores resultados les están dando. Además de dotar de movimiento a sus nanorrobots, en la reacción con la ureasa, la liberación del amoníaco altera el pH de la orina, reduciendo la viscosidad del entorno facilitando la dispersión, “lo que sumado a la fuerza de la propulsión, abre el camino al fármaco”, añade el científico.

Uno de los mayores problemas de los tratamiento tradicionales y también de los más recientes basados en nanosistemas es que el fármaco no llega en la dosis adecuada a los tejidos objetivo. “Para llegar, para tratar un tumor no basta con dotar de movimiento a tus nanorrobots. Tienes que tener millones de ellos capaces de moverse y lograr que lo hagan de forma colectiva”, sostiene Sánchez.

Ese movimiento colectivo, como si fueran los desplazamientos de una bandada de pájaros, es lo que han visualizado ahora en lo que es la segunda gran aportación de este trabajo. Lo comprobaron usando una técnica de imagen como las de rayos X o las resonancias magnéticas, aunque menos usada y conocida. Se llama tomografía por emisión de positrones o PET.

El investigador del centro de investigación en biomateriales CIC biomaGUNE y coautor del estudio Jordi Llop destaca que la PET “permite visualizar cualquier molécula, célula, nanopartícula... que hayas marcado para emitir radiación y es, además, ultrasensible, capaz de detectar la cantidad más pequeña”. Para seguir y poder ver a los nanorrobots lo que hicieron fue adherirles químicamente átomos de flúor-18 y yodo-124, isótopos de ambos elementos que emiten radiación. Esas emisiones de rayos gamma son como faros cuya luz detecta el PET. “No vemos los motores individuales, sino el conjunto. Cuantificamos cuántos, dónde, cuándo se han movido”, detalla Llop. Es la primera vez que se logra algo así con un enjambre de millones de nanorrobots.

Su complejo sistema de nanorrobots autopropulsados lo vieron primero in vitro con el microscopio, pero después lo rastrearon in vivo en la vejiga de una veintena de ratones con la PET. Tania Patiño, también del IBEC y coautora de la investigación asegura en una nota que “es la primera vez que podemos visualizar directamente la difusión activa de nanorrobots biocompatibles dentro de fluidos biológicos in vivo”. Y añade que poder “monitorear su actividad dentro del cuerpo y el hecho de que muestren una distribución más homogénea podría revolucionar la forma en que entendemos los enfoques de administración y diagnóstico de fármacos basados en nanopartículas”.

En cuanto al movimiento colectivo del enjambre, conocido en entornos biológicos, no resulta estar dirigido u operado desde fuera. “El movimiento, aunque colectivo, es caótico. Se crean flujos, corrientes y bancos de nanorobots que se agrupan entre ellos, pero la forma y la dirección no está controlada, de momento”, recuerda Sánchez. Tampoco es fruto de una especie de inteligencia colectiva como no lo es el desplazamiento coordinado de los bancos de peces o las bandadas de pájaros y, sin embargo, son mecanismos eficaces de supervivencia. Siguiendo con el símil, Sánchez concluye que “ese movimiento, aunque caótico, es muy eficiente para mover todo el líquido que hay en la vejiga y para que los nanorobots lleguen a todas las paredes”.

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