Nadador microbiohíbrido
Parte de una serie sobre
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Relacionado

Un micronadador biohíbrido , también conocido como nanorobot biohíbrido , [1] puede definirse como un micronadador que consta de componentes tanto biológicos como artificiales, por ejemplo, uno o varios microorganismos vivos unidos a una o varias partes sintéticas.

En los últimos años, se han diseñado objetos nanoscópicos y mesoscópicos para que se muevan colectivamente inspirándose directamente en la naturaleza o aprovechando sus herramientas existentes. Los sistemas mesoscópicos a nanoscópicos pequeños suelen funcionar con números de Reynolds bajos (Re ≪ 1), y comprender su movimiento se vuelve un desafío. Para que se produzca la locomoción, debe romperse la simetría del sistema.

Además, el movimiento colectivo requiere un mecanismo de acoplamiento entre las entidades que lo componen. Para desarrollar entidades mesoscópicas a nanoscópicas capaces de comportarse como enjambre, se ha planteado la hipótesis de que las entidades se caracterizan por una simetría rota con una morfología bien definida y están alimentadas con algún material capaz de recolectar energía. Si la energía recolectada da como resultado un campo que rodea al objeto, entonces este campo puede acoplarse con el campo de un objeto vecino y aportar cierta coordinación al comportamiento colectivo. Un panel de expertos en línea ha clasificado a estos enjambres robóticos como uno de los 10 grandes desafíos grupales sin resolver en el área de la robótica . Aunque la investigación de su mecanismo de acción subyacente aún está en sus inicios, se han desarrollado varios sistemas que son capaces de experimentar un movimiento de enjambre controlado y no controlado mediante la recolección de energía (por ejemplo, luminosa, térmica, etc.).

En la última década, los microrobots biohíbridos, en los que microorganismos móviles vivos se integran físicamente con estructuras artificiales sin ataduras, han ganado un creciente interés para permitir la locomoción activa y la entrega de carga a un destino determinado. Además de la motilidad, las capacidades intrínsecas de detectar y provocar una respuesta adecuada a los cambios artificiales y ambientales hacen que los microrobots biohíbridos basados ​​en células sean atractivos para el transporte de carga a las cavidades inaccesibles del cuerpo humano para la entrega activa local de agentes diagnósticos y terapéuticos.

Fondo

Características básicas de un microrobot in vivo  [2]
En un enfoque biohíbrido, estas tres características básicas pueden lograrse biológicamente por medio de un microorganismo o artificialmente por medio de uniones sintéticas. El azul indica entidades biológicas (células flageladas o diana), el rojo indica estructuras artificiales (tubos unidos, hélices, partículas o dispositivos externos). Las flechas en el panel superior izquierdo indican el actor móvil, las líneas onduladas en el panel superior derecho indican vías de señalización. El panel inferior muestra cómo se pueden llevar a cabo las funciones en función de las interacciones entre células o por medio de carga sintética (partículas rojas).

Los micronadadores biohíbridos pueden definirse como micronadadores que consisten en componentes tanto biológicos como artificiales, por ejemplo, uno o varios microorganismos vivos unidos a una o varias partes sintéticas. [2] [3] Los pioneros de este campo, adelantados a su tiempo, fueron Montemagno y Bachand con un trabajo de 1999 sobre estrategias de unión específicas de moléculas biológicas a sustratos nanofabricados que permiten la preparación de sistemas nanoelectromecánicos inorgánicos/orgánicos híbridos , llamados NEMS. [4] Describieron la producción de grandes cantidades de F1-ATPasa a partir de la bacteria termófila Bacillus PS3 para la preparación de motores biomoleculares F1-ATPasa inmovilizados en un patrón de nanoarray de oro, cobre o níquel producido por litografía de haz de electrones . Estas proteínas se unieron a microesferas de una micra marcadas con un péptido sintético . En consecuencia, lograron la preparación de una plataforma con sitios químicamente activos y el desarrollo de dispositivos biohíbridos capaces de convertir la energía de los motores biomoleculares en trabajo útil. [3]

Una de las preguntas más fundamentales de la ciencia es qué define la vida. [5] El movimiento colectivo es uno de los sellos distintivos de la vida. [6] Esto se observa comúnmente en la naturaleza en varios niveles dimensionales a medida que las entidades energizadas se reúnen, en un esfuerzo concertado, en patrones agregados móviles. Estos eventos agregados móviles pueden observarse, entre muchos otros, como enjambres dinámicos ; por ejemplo, organismos unicelulares como las bacterias, enjambres de langostas o el comportamiento de bandada de las aves. [7] [8] [9]

Desde que Newton estableció sus ecuaciones de movimiento, el misterio del movimiento a microescala ha surgido con frecuencia en la historia científica, como lo demuestran un par de artículos que conviene comentar brevemente. En primer lugar, un concepto esencial, popularizado por Osborne Reynolds , es que la importancia relativa de la inercia y la viscosidad para el movimiento de un fluido depende de ciertos detalles del sistema en consideración. [3] El número de Reynolds Re , llamado así en su honor, cuantifica esta comparación como una relación adimensional de fuerzas inerciales y viscosas características:

R e = ρ u l μ {\displaystyle \mathrm {Re} ={\frac {\rho ul}{\mu }}}

Aquí, ρ representa la densidad del fluido; u es una velocidad característica del sistema (por ejemplo, la velocidad de una partícula nadando); l es una escala de longitud característica (por ejemplo, el tamaño del nadador); y μ es la viscosidad del fluido. Si tomamos como fluido en suspensión el agua y utilizamos valores observados experimentalmente para u , podemos determinar que la inercia es importante para los nadadores macroscópicos como los peces ( Re = 100), mientras que la viscosidad domina el movimiento de los nadadores a microescala como las bacterias ( Re = 10 −4 ). [3]

La abrumadora importancia de la viscosidad para nadar a escala micrométrica tiene profundas implicaciones para la estrategia de natación. Esto ha sido discutido memorablemente por EM Purcell , quien invitó al lector al mundo de los microorganismos y estudió teóricamente las condiciones de su movimiento. [10] En primer lugar, las estrategias de propulsión de los nadadores a gran escala a menudo implican impartir impulso al fluido circundante en eventos discretos periódicos, como el desprendimiento de vórtices , y el deslizamiento entre estos eventos a través de la inercia . Esto no puede ser efectivo para nadadores a microescala como las bacterias: debido a la gran amortiguación viscosa , el tiempo de deslizamiento inercial de un objeto de tamaño micrométrico es del orden de 1 μs. La distancia de deslizamiento de un microorganismo que se mueve a una velocidad típica es de aproximadamente 0,1 angstroms (Å). Purcell concluyó que solo las fuerzas que se ejercen en el momento presente sobre un cuerpo a microescala contribuyen a su propulsión, por lo que un método de conversión de energía constante es esencial. [10] [3]

Los microorganismos han optimizado su metabolismo para la producción continua de energía, mientras que los micronadadores puramente artificiales (microrobots) deben obtener energía del entorno, ya que su capacidad de almacenamiento a bordo es muy limitada. Como consecuencia adicional de la disipación continua de energía, los micronadadores biológicos y artificiales no obedecen las leyes de la física estadística del equilibrio y necesitan ser descritos mediante dinámicas de no equilibrio. [3] Matemáticamente, Purcell exploró las implicaciones de un número de Reynolds bajo tomando la ecuación de Navier-Stokes y eliminando los términos inerciales:

μ ∇ 2 u − ∇ p = 0 {\displaystyle {\begin{aligned}\mu \nabla ^{2}\mathbf {u} -{\boldsymbol {\nabla }}p&={\boldsymbol {0}}\\\end{aligned}}}

donde es la velocidad del fluido y es el gradiente de la presión . Como señaló Purcell, la ecuación resultante —la ecuación de Stokes— no contiene una dependencia temporal explícita. [10] Esto tiene algunas consecuencias importantes sobre cómo un cuerpo suspendido (por ejemplo, una bacteria) puede nadar a través de movimientos mecánicos periódicos o deformaciones (por ejemplo, de un flagelo ). En primer lugar, la velocidad de movimiento es prácticamente irrelevante para el movimiento del micronadador y del fluido circundante: cambiar la velocidad de movimiento cambiará la escala de las velocidades del fluido y del micronadador, pero no cambiará el patrón del flujo del fluido. En segundo lugar, invertir la dirección del movimiento mecánico simplemente invertirá todas las velocidades en el sistema. Estas propiedades de la ecuación de Stokes restringen severamente el rango de estrategias de natación factibles. [10] [3] u {\displaystyle \mathbf {u} } ∇ p {\displaystyle {\boldsymbol {\nabla }}p}

Publicaciones recientes de micronadadores biohíbridos incluyen el uso de células espermáticas, células musculares contractivas y bacterias como componentes biológicos, ya que pueden convertir eficientemente la energía química en movimiento y, además, son capaces de realizar movimientos complicados dependiendo de las condiciones ambientales. En este sentido, los sistemas de micronadadores biohíbridos pueden describirse como la combinación de diferentes componentes funcionales: carga y transportador. La carga es un elemento de interés para ser movido (y posiblemente liberado) de forma personalizada. El transportador es el componente responsable del movimiento del biohíbrido, transportando la carga deseada, que está vinculada a su superficie. La gran mayoría de estos sistemas se basan en la propulsión móvil biológica para el transporte de carga sintética para la administración dirigida de fármacos/ [2] También existen ejemplos del caso opuesto: micronadadores artificiales con sistemas de carga biológica. [11] [12] [3]

Durante la última década, los microrobots biohíbridos, en los que microorganismos móviles vivos están físicamente integrados con estructuras artificiales no atadas, han ganado un creciente interés para permitir la locomoción activa y la entrega de carga a un destino objetivo. [13] [14] [15] [16] Además de la motilidad, las capacidades intrínsecas de detectar y provocar una respuesta apropiada a los cambios artificiales y ambientales hacen que los microrobots biohíbridos basados ​​en células sean atractivos para el transporte de carga a las cavidades inaccesibles del cuerpo humano para la entrega activa local de agentes de diagnóstico y terapéuticos. [17] [18] [19] La locomoción activa, la orientación y la dirección de agentes terapéuticos y de diagnóstico concentrados integrados en microrobots móviles al sitio de acción pueden superar los desafíos existentes de las terapias convencionales. [20] [21] [22] Para este fin, se han utilizado comúnmente bacterias con perlas adheridas y cuerpos de células fantasma. [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31]

Biohíbridos bacterianos

Micronadadores biohíbridos impulsados ​​por bacterias con un cuerpo esférico  [32]
(a) Imágenes SEM que muestran microperlas de poliestireno de 2 μm de diámetro, cada una unida por unas pocas bacterias E. coli
(b) Una ilustración de las fuerzas y los torques ejercidos sobre la microperla esférica por sus bacterias unidas, donde la fuerza y ​​el torque de reacción motora de cada bacteria dependen del estado.

Los micro y nanonadadores artificiales son dispositivos a pequeña escala que convierten energía en movimiento. [33] [12] Desde la primera demostración de su rendimiento en 2002, el campo se ha desarrollado rápidamente en términos de nuevas metodologías de preparación, estrategias de propulsión, control de movimiento y funcionalidad prevista. [34] [35] El campo es prometedor para aplicaciones como la administración de fármacos, la remediación ambiental y la detección. El enfoque inicial del campo se centró principalmente en los sistemas artificiales, pero cada vez aparecen más "biohíbridos" en la literatura. La combinación de componentes artificiales y biológicos es una estrategia prometedora para obtener nuevas funcionalidades de micronadadores bien controlados, ya que las funciones esenciales de los organismos vivos están intrínsecamente relacionadas con la capacidad de moverse. [36] Los seres vivos de todas las escalas se mueven en respuesta a estímulos ambientales (por ejemplo, temperatura o pH), para buscar fuentes de alimento, reproducirse o escapar de los depredadores. Uno de los microsistemas vivos más conocidos son las bacterias nadadoras, pero el movimiento dirigido ocurre incluso a escala molecular, donde las enzimas y las proteínas experimentan cambios conformacionales para llevar a cabo tareas biológicas. [37] [3]

Las células bacterianas nadadoras se han utilizado en el desarrollo de micronadadores híbridos. [38] [39] [40] [41] La unión de carga a las células bacterianas podría influir en su comportamiento de natación. [3] Las células bacterianas en estado de enjambre también se han utilizado en el desarrollo de micronadadores híbridos. Las células de Serratia marcescens en enjambre se transfirieron a cubreobjetos recubiertos con PDMS, lo que dio como resultado una estructura a la que los autores denominaron "alfombra bacteriana". Los fragmentos planos de diferentes formas de estas alfombras bacterianas, denominados "chips auto-móviles", se movieron sobre la superficie del portaobjetos del microscopio en dos dimensiones. [42] Muchos otros trabajos han utilizado células en enjambre de Serratia marcescens , [43] [ 44 ] [45] [46] [47] [48] así como células en enjambre  de E. coli [49] [23] para el desarrollo de micronadadores híbridos. [3] Las bacterias magnetotácticas han sido el foco de diferentes estudios debido a sus usos versátiles en sistemas de movimiento biohíbrido. [50] [51] [52] [53] [54] [3]

Biohíbridos protistas

Alga

Micronadadores biohíbridos Chlamydomonas reinhardtii  [31]
Arriba: Esquemas de los pasos de producción para el biohíbrido C. reinhardtii .
Abajo: Imágenes SEM de microalgas desnudas (izquierda) y microalgas biohíbridas (derecha) recubiertas con nanopartículas de óxido de hierro recubiertas de quitosano (CSIONPs). Las imágenes fueron pseudocoloreadas. Un color verde más oscuro en la imagen SEM de la derecha representa el recubrimiento de quitosano en la pared celular de la microalga. Las partículas de color naranja representan CSIONPs.

Chlamydomonas reinhardtii es una microalga verde unicelular. La C. reinhardtii de tipo salvajetiene una forma esférica que promedia alrededor de 10 μm de diámetro. [55] Este microorganismo puede percibir la luz visible y ser dirigido por ella (es decir, fototaxis ) con altas velocidades de nado en el rango de 100-200 μm s −1 . [19] Tiene autofluorescencia natural que permite imágenes fluorescentes sin etiquetas. [55] C. reinhardtii ha sido explorado activamente como el componente vivo de microrobots biohíbridos para la administración activa de terapias. [19] Son biocompatibles con células de mamíferos sanos, no dejan toxinas conocidas, son móviles en los medios fisiológicamente relevantes y permiten la modificación de la superficie para transportar carga en la pared celular. [19] [56] [57] [58] [59] Se han propuestoestrategias de unión alternativas para C. reinhardtii para el ensamblaje mediante la modificación de las superficies interactuantes mediante interacciones electrostáticas [19] [56] y enlaces covalentes. [60] [31]

Robocolitos

Híbridos de robocolitos que combinan polidopamina y cocolitos  [61]
Los cocolitóforos EHUX se cultivan para aislar cocolitos. Cuando los cocolitos (morfología asimétrica) se exponen a la luz, no se observa movimiento colectivo. Luego, los cocolitos se mezclan suavemente con soluciones de dopamina. De este modo, se obtienen híbridos de cocolitos recubiertos de polidopamina como base para el diseño de robocolitos. La excitación lumínica y la asimetría de los robocolitos generan un flujo térmico de calor debido a las propiedades fototérmicas de la polidopamina. El acoplamiento de la convección de los robocolitos vecinos transforma su movimiento en un movimiento colectivo agregado. También se propone la funcionalización de los robocolitos para prevenir y controlar la unión no específica de biomacromoléculas y la posible disminución de la agregación.
Arquitectura asimétrica de la morfología de los cocolitos  [61]
(A) Los cocolitóforos EHUX se cultivaron con éxito y se visualizaron mediante SEM (barra de escala, 4 μm).
(B) A continuación, rompimos y retiramos el material celular de los cocolitóforos EHUX para aislar cocolitos múltiples (arriba; barra de escala, 20 μm) e individuales (abajo; barra de escala, 1 μm), tal como se visualizaron mediante SEM.
(C) Imagen AFM de un cocolito individual. Tamaño de la micrografía, 4 × 4 μm.
(D) Aumento AFM de la micrografía de un cocolito individual. Barra de escala, 400 nm.
(E) Ilustración de un cocolito, que muestra sus parámetros morfológicos específicos.
(F) Valores típicos graficados de los parámetros morfológicos específicos. Los datos se representan como media ± DE (n = 55), donde n es el número de cocolitos visualizados mediante TEM.

El movimiento colectivo es una de las características de la vida. [6] A diferencia de lo que se logra individualmente, la existencia de múltiples entidades permite que se produzcan interacciones locales entre cada participante en proximidad. Si consideramos a cada participante del comportamiento colectivo como un transductor (bio)físico , entonces la energía se convertirá de un tipo en otro. La proxémica favorecerá entonces una mejor comunicación entre individuos vecinos a través de la transducción de energía, lo que dará lugar a comportamientos sinérgicos dinámicos y complejos de la estructura compuesta de energía. [62] [61]

En los últimos años, se han diseñado objetos nanoscópicos y mesoscópicos para que se muevan colectivamente inspirándose directamente en la naturaleza o aprovechando sus herramientas existentes. [63] [64] [65] [66] Un panel de expertos en línea clasificó estos enjambres robóticos como uno de los 10 grandes desafíos grupales sin resolver en el área de la robótica . [67] Aunque la investigación de su mecanismo de acción subyacente todavía está en sus inicios, se han desarrollado varios sistemas que son capaces de experimentar un movimiento de enjambre controlado y no controlado mediante la recolección de energía (por ejemplo, luminosa, térmica, etc.). [68] Es importante destacar que esta energía debe transformarse en una fuerza neta para que el sistema se mueva. [61]

Los sistemas mesoscópicos a nanoscópicos pequeños suelen operar con números de Reynolds bajos (Re ≪ 1), y comprender su movimiento se vuelve un desafío. [69] Para que se produzca la locomoción, la simetría del sistema debe romperse.14 Además, el movimiento colectivo requiere un mecanismo de acoplamiento entre las entidades que forman el colectivo. [61]

Para desarrollar entidades mesoscópicas a nanoscópicas capaces de comportarse como enjambre, se ha planteado la hipótesis de que las entidades se caracterizan por una simetría rota con una morfología bien definida y están alimentadas con algún material capaz de recolectar energía. Si la energía recolectada da como resultado un campo que rodea al objeto, entonces este campo puede acoplarse con el campo de un objeto vecino y aportar cierta coordinación al comportamiento colectivo. [61]

Los cocolitos asimétricos derivados del cocolitóforo de Emiliania huxleyi (EHUX)se destacan como candidatos para la elección de un objeto nano/mesoscópico con simetría rota y morfología bien definida. Además de la estabilidad termodinámica debido a su composición de calcita , [70] la ventaja crítica de los cocolitos EHUX es su morfología asimétrica distintiva y sofisticada. Los cocolitos EHUX se caracterizan por varias costillas con cabeza de martillo colocadas para formar un disco proximal y distal conectados por un anillo central. Estos discos tienen diferentes tamaños pero también permiten que el cocolito tenga una curvatura, que se asemeja en parte a una rueda de carreta. [71] Los cocolitos EHUX se pueden aislar de los cocolitóforos EHUX, un grupo único de algas marinas unicelularesque son los principales productores de calcita biogénica en el océano. [72] Los cocolitóforos pueden producir intracelularmente estructuras minerales tridimensionales intrincadas, como escamas de carbonato de calcio (es decir, cocolitos), en un proceso que es impulsado continuamente por una vesícula especializada. [73]

Emiliania huxleyi protegida con cocolitos asimétricos

Una vez finalizado el proceso, los cocolitos formados se secretan a la superficie celular, donde forman el exoesqueleto (es decir, la coccosfera ). La amplia diversidad de la arquitectura de los cocolitos da como resultado más posibilidades para aplicaciones específicas en nanotecnología  [74] o biomedicina. [75] Los cocolitos inanimados de cocolitóforos vivos EHUX, en particular, se pueden aislar fácilmente en el laboratorio con un bajo costo de cultivo y una tasa de reproducción rápida y tienen un área de superficie razonablemente moderada (~20 m 2 /g) que exhibe una estructura mesoporosa (tamaño de poro en el rango de 4 nm). [76] [61]

Presumiblemente, si la recolección de energía se realiza en ambos lados del cocolito EHUX, entonces permitirá la generación de una fuerza neta, lo que significa movimiento de manera direccional. Los cocolitos tienen un inmenso potencial para una multitud de aplicaciones, pero para permitir la recolección de energía, sus propiedades superficiales deben ajustarse finamente. [77] Inspirada por la composición de las proteínas adhesivas en los mejillones, la autopolimerización de la dopamina en polidopamina es actualmente la estrategia de funcionalización más versátil para prácticamente todos los tipos de materiales. [78] Debido a su química de superficie y su amplia gama de propiedades de absorción de luz, la polidopamina es una opción ideal para la función de recolección de energía asistida en sustratos inertes. [79] [80] [81] En este trabajo, pretendemos explotar los beneficios del recubrimiento de polidopamina para proporcionar funcionalidades avanzadas de recolección de energía a los cocolitos, que de otro modo serían inertes e inanimados. Ya se ha demostrado que la polidopamina (PDA) induce el movimiento de las perlas de poliestireno debido a los efectos de difusión térmica entre el objeto y la solución acuosa circundante de hasta 2 °C bajo excitación de luz infrarroja cercana (NIR). [82] Sin embargo, no se ha informado de ningún comportamiento colectivo. Aquí, demostramos, por primera vez, que la polidopamina puede actuar como un componente activo para inducir, bajo luz visible (300-600 nm), el comportamiento colectivo de una arquitectura estructuralmente compleja, natural y difícil de controlar como los cocolitos. Como resultado, la combinación híbrida orgánica-inorgánica (cocolito-polidopamina) permitiría el diseño de robocolitos. [61]

La polimerización de la dopamina se produce en una solución, donde forma pequeños agregados coloidales que se adsorben en la superficie de los cocolitos, formando una película confluente. Esta película se caracteriza por una gran rugosidad, lo que se traduce en una gran superficie específica y una mejor captación de energía. Debido a la naturaleza conjugada de la cadena principal del polímero, la polidopamina puede absorber luz en un amplio espectro electromagnético, incluida la región visible. [61]

Como resultado, la superficie de los cocolitos está dotada de un efecto fototérmico, calentándose localmente y creando convección inducida por la presencia de PDA. Esta convección local se acopla con otra convección local cercana, lo que permite el acoplamiento entre los Robocolitos individuales, posibilitando su movimiento colectivo (Figura 1). [61]

Por lo tanto, cuando la luz se encuentra con los Robocolitos anisométricos, estos se calientan localmente debido a la conversión fototérmica inducida por la presencia de PDA en su superficie. El intenso calentamiento local produce una convección que es diferente en cada lado del Robocolito, lo que provoca su movimiento observado. Dicha convección puede acoplarse con la convección de un Robocolito vecino, lo que resulta en un movimiento de "enjambre". Además, la superficie de los Robocolitos está diseñada para acomodar cepillos de polímero antiincrustantes y potencialmente evitar su agregación. Aunque se toma un enfoque convectivo activado por luz primaria como un primer paso para comprender el movimiento de los Robocolitos, actualmente se están desarrollando una multitud de enfoques mecanísticos para allanar el camino para la próxima generación de Robocolitos multifuncionales como biomicromáquinas de enjambre. [61]

Aplicaciones biomédicas

Micronadadores bacterianos biohíbridos  [83]
Sistema de administración de fármacos con micronadadores de diatomita biohíbridos
Superficie de frústula de diatomea funcionalizada con moléculas fotoactivables (esferas naranjas) unidas a vitamina B-12 (esfera roja) que actúa como una etiqueta dirigida al tumor. El sistema se puede cargar con fármacos quimioterapéuticos (esferas celestes), que se pueden administrar de forma selectiva a las células de cáncer colorrectal. Además, las micropartículas de diatomeas se pueden fotoactivar para generar monóxido de carbono o radicales libres que inducen la apoptosis de las células tumorales. [84] [85]

Los micronadadores biohíbridos, compuestos principalmente de actuadores biológicos integrados y transportadores de carga sintéticos, han demostrado recientemente ser prometedores para aplicaciones teranósticas mínimamente invasivas . [86] [87] [88] [22] Se han utilizado varios microorganismos, incluidas bacterias, [23] [28] microalgas , [89] [19] y espermatozoides , [90] [91] para fabricar diferentes micronadadores biohíbridos con funcionalidades médicas avanzadas, como control autónomo con estímulos ambientales para la orientación, navegación a través de espacios estrechos y acumulación en regiones necróticas de entornos tumorales. [92] La capacidad de dirección de los transportadores de carga sintéticos con campos externos aplicados de largo alcance, como campos acústicos o magnéticos, [11] [93] y los comportamientos de taxis intrínsecos de los actuadores biológicos hacia varios estímulos ambientales, como quimioatrayentes , [94] pH y oxígeno, [95] [18] hacen que los micronadadores biohíbridos sean un candidato prometedor para una amplia gama de aplicaciones de entrega de carga activa médica. [92] [83]

Las bacterias tienen una alta velocidad y eficiencia de nado en el régimen de flujo de bajo número de Reynolds (Re), son capaces de detectar y responder a señales ambientales externas, y podrían detectarse externamente mediante técnicas de imágenes de fluorescencia o ultrasonido. [96] [97] [98] Debido a sus capacidades de detección inherentes, se han investigado varias especies de bacterias como posibles agentes antitumorales y han sido objeto de ensayos preclínicos y clínicos. [99] [100] [101] [102] [103] [104] La presencia de diferentes especies de bacterias en el cuerpo humano, como en la piel y el microambiente intestinal , ha promovido su uso como posibles agentes teranósticos o portadores en varias aplicaciones médicas. [105] [83]

Por otro lado, las células eucariotas especializadas , como los glóbulos rojos (RBC), son uno de los portadores pasivos más eficientes de la naturaleza con alta eficiencia de carga útil, deformabilidad, degradabilidad y biocompatibilidad, y también se han utilizado en varias aplicaciones médicas. [106] [107] [108] Los glóbulos rojos y las nanovesículas derivadas de glóbulos rojos, como los nanoeritrosomas, [109] se han adoptado con éxito como portadores de carga pasivos para mejorar el tiempo de circulación de las sustancias aplicadas en el cuerpo, [110] y para administrar diferentes sustancias bioactivas para el tratamiento de varias enfermedades observadas en el hígado, el bazo y los ganglios linfáticos, y también el cáncer mediante la administración por vía intravenosa, intraperitoneal, subcutánea e inhalatoria. [111] [112] [113] [114] [115] Por ejemplo, se demostró una disminución del reconocimiento de partículas cargadas de fármacos por parte de las células inmunes cuando se unieron a las membranas de los glóbulos rojos antes de la inyección intravenosa en ratones. [116] Además, se demostró el perfil de bioacumulación alterado de los nanotransportadores cuando se conjugaron en los glóbulos rojos, lo que aumentó la entrega de nanotransportadores a los órganos objetivo. [117] También se informó que la vida media de Fasudil, un fármaco para la hipertensión arterial pulmonar, dentro del cuerpo aumentó aproximadamente de seis a ocho veces cuando se cargó en nanoeritrosomas. [115] [83]

Las propiedades superiores de los glóbulos rojos para transportar carga también han generado un mayor interés por su uso en diseños de micronadadores biohíbridos. Recientemente, se presentó la navegación activa y el control de glóbulos rojos cargados con fármacos y nanopartículas superparamagnéticas ( SPION ) utilizando ondas sonoras y campos magnéticos. [11] Los glóbulos rojos se utilizaron además en la fabricación de micronadadores biohíbridos blandos alimentados por bacterias móviles para aplicaciones de entrega de carga activa. [93] Los glóbulos rojos, cargados con moléculas de fármacos y SPION, fueron propulsados ​​por bacterias y dirigidos a través de campos magnéticos, que también fueron capaces de viajar a través de huecos más pequeños que su tamaño debido a la alta deformabilidad inherente de los glóbulos rojos. [83]

Referencias

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