Durante la progressione del cancro, i tumori solidi sviluppano tipicamente regioni con accesso limitato ai nutrienti e all’ossigeno. La struttura anormale dei vasi sanguigni e l’alto tasso di crescita del tumore fanno sì che le cellule situate lontano dai vasi sperimentino una condizione nota come ipossia o bassi livelli di ossigeno.   

L’ipossia tumorale rende meno efficaci i trattamenti contro il cancro, come la radioterapia, la terapia fotodinamica e le chemioterapie che si basano sulla generazione di reactive oxygen species (ROS). Ciò è principalmente dovuto al fatto che questi trattamenti dipendono dalla concentrazione di ossigeno nelle cellule tumorali per generare ROS, derivati ​​altamente reattivi dell’ossigeno molecolare che causano danni cellulari.

Un team di ricercatori della Stanford University guidato da Utkan Demirci, professore presso il Dipartimento di Radiologia, School of Medicine, ha adottato un approccio innovativo per modificare le condizioni dei siti tumorali con microrobot bioibridi chiamati Volbot, che alleviano l’ipossia per migliorare l’efficacia di trattamenti contro il cancro.

“Il nostro approccio mira ad affrontare i problemi riscontrati nell’ipossia da cancro utilizzando i Volbot come micro-fabbriche di generazione di ossigeno in loco”

ha affermato Demirci. Gli scienziati hanno testato diverse strategie per invertire l’ipossia tumorale, inclusi micro/nanocarrier che utilizzano globuli rossi, emoglobina e nano bolle, che hanno mostrato una capacità di carico di ossigeno inadeguata. 

I microrobot bioibridi sono costituiti da componenti sia viventi che sintetici. Mentre la “parte vivente” del robot di solito fornisce mobilità e trasporto, gli scienziati possono aggiungere funzionalità extra per svolgere funzioni specifiche, come il rilascio di un farmaco all’interno del corpo per curare il tessuto canceroso.

Il team di Demirci ha progettato i suoi microrobot bioibridi utilizzando le alghe Volvox, che fungono da motore e danno il nome ai robot. Possono nuotare attraverso il movimento dei loro flagelli situati sulla loro superficie. 

“Volvox ha anche altre caratteristiche, come la loro innata capacità di rilevamento che consente loro di migrare verso una fonte di luce e la capacità di generare ossigeno attraverso la fotosintesi”

ha affermato Demirci.

Come altre alghe, Volvox utilizza la clorofilla per assorbire l’energia dalla luce. 

Mostrano una maggiore attività fotosintetica e produzione di ossigeno quando esposti alla luce rossa, che il team di Demirci ha utilizzato per regolare la concentrazione di ossigeno prodotta dalle alghe nelle cellule tumorali.

I Volbot sono stati progettati con nanoparticelle magnetiche sulla loro superficie esterna che aiutano il team a guidare il loro movimento utilizzando un campo magnetico esterno. Queste nanoparticelle consentono anche il rilevamento mediante risonanza magnetica (MRI) e imaging fototermico, consentendo agli scienziati di rintracciarle facilmente all’interno del corpo. 

“Le nanoparticelle sui microrobot bioibridi possono anche trasportare agenti terapeutici e generare calore se esposte alla luce del vicino infrarosso, che può essere utilizzato come trattamenti basati sulla fototermia o rilascio controllato di farmaci”

ha spiegato Demirci.  

Il team ha valutato le capacità di Volbot in primo luogo valutando la generazione di ossigeno in vitro prima di testarle nella terapia mirata del cancro.

“Abbiamo testato l’uso di Volbot in modelli animali, in cui i topi trattati avevano dimensioni del tumore ridotte”

ha affermato Demirci. I loro risultati hanno confermato che Volvox ha alleviato l’ipossia tumorale nei topi.

Nel loro articolo, gli scienziati hanno anche indicato che non vi era alcuna tossicità apparente a seguito del trattamento con Volbots. Tuttavia, i meccanismi di rimozione e rilascio delle alghe sollevano potenziali sfide, che devono essere studiate prima dell’uso clinico.

“Nonostante ci siano molti aspetti da ottimizzare ulteriormente per un percorso clinico nell’attuale piattaforma, questa versatile strategia bioibrida probabilmente offre un percorso innovativo per creare progetti robotici biologicamente assistiti per un’ampia gamma di applicazioni di biomedicina, trattamento e imaging nel cancro e altre malattie”

ha scritto il team nel loro articolo.