I microdottori nel nostro corpo
I ricercatori dell'ETH stanno sviluppando sofisticati organismi tecnici e biologici per terapie non invasive e selettive. Si tratta di cellule modificate geneticamente che possono essere attivate tramite onde cerebrali e di sciami di microrobot che applicano sostanze attive con precisione millimetrica.
Richard Fleischner, il regista del film cult del 1966 "Fantastic Voyage", sarebbe stato entusiasta della ricerca di Bradley Nelson: analogamente al film di Fleischner, Nelson vuole caricare minuscoli robot con sostanze attive e manovrarli fino al punto esatto del trattamento richiesto nel corpo umano, ad esempio nel sito di un tumore canceroso. In alternativa, i minuscoli robot potrebbero anche essere dotati di strumenti che consentano di effettuare operazioni senza intervento chirurgico. I vantaggi rispetto ai trattamenti tradizionali con farmaci sono evidenti: una terapia molto più specifica e quindi meno effetti collaterali.
Messa a punto di materiali e progetti
Nelson non è un fantasista e un narratore, ma un professore di robotica e sistemi intelligenti dell'ETH di Zurigo. Si è fatto un nome in tutto il mondo con i suoi robot di dimensioni micro e nanometriche. È tuttora iscritto nel Guinness dei primati per il "Mini robot più avanzato per uso medico". I suoi robot hanno in genere dimensioni di pochi micrometri e si ispirano alla natura. Le osservazioni sui microrganismi, come il funzionamento dei flagelli nei batteri - una sorta di coda arricciata per la locomozione - servono da modello per i suoi azionamenti meccanici su scala micrometrica. Essi ricevono l'energia per la locomozione da un impulso esterno, ad esempio un campo elettromagnetico.
La visione che sembra fantascienza sta gradualmente diventando realtà nel gruppo di Nelson: In un esperimento in vivo su un topo, è stata in grado di controllare con precisione uno sciame di 80.000 microrobot e di usarli per trasportare un farmaco modello in punti precedentemente definiti del corpo del topo. Tuttavia, i ricercatori devono ancora chiarire una serie di questioni prima di poter affrontare i primi esperimenti e le prime applicazioni sull'uomo. L'attenzione si concentra su questioni di materialità e progettazione. "Non possiamo affidarci alla nostra intuizione quando progettiamo questi robot perché i materiali spesso si comportano in modo diverso a queste scale rispetto a quelle a cui siamo abituati", spiega Nelson. Le stampanti 3D speciali hanno ampliato la gamma di materiali utilizzati per progettare i microrobot, dai metalli semiconduttori alla plastica. L'anno scorso il team di Nelson, in collaborazione con i colleghi del gruppo di Christofer Hierold, è riuscito a creare un robot fatto di un biopolimero ben tollerato che si dissolve nel corpo una volta terminato il lavoro.
Nella sua ultima pubblicazione l'ingegnere fa un ulteriore passo avanti. I microrobot presentati possono trasformare la loro forma a seconda delle condizioni ambientali. Per questo Nelson li definisce "robot origami". Una variazione di pH nei fluidi corporei, una differenza di temperatura o un impulso di luce fungono da stimolo per il cambiamento di forma. La modellabilità dei robot si basa su una struttura multistrato con diversi idrogel. Poiché i biopolimeri si espandono o si contraggono in modo diverso in risposta a uno stimolo esterno, il robot diventa modellabile.
La natura è stata ancora una volta l'ispirazione per il design: il batterio Trypanosoma brucei,Il batterio che causa la malattia del sonno ha una forma stretta e allungata che gli permette di muoversi efficacemente nei fluidi corporei. Tuttavia, una volta che il batterio si trova nel flusso sanguigno e non dipende più dalla propria propulsione, Chi siamo ha una forma compatta e tozza: un'altra opzione di progettazione per il microrobot medico più efficiente possibile.
"15 anni fa eravamo ancora agli inizi. Oggi, invece, possiamo già controllare molti meccanismi in modo molto preciso", riassume Nelson. La prossima grande sfida è l'autonomia: "Ci stiamo occupando di come portare l'intelligenza nei microrobot". In futuro, le minuscole creature dovrebbero essere in grado di trovare da sole la strada verso la loro destinazione una volta inserite nel corpo. Proprio come fanno gli organismi unicellulari naturali da milioni di anni.
Le cellule come sistemi di monitoraggio biologico
Bradley Nelson non è l'unico ricercatore dell'ETH che sta ripensando la medicina dalle fondamenta: Martin Fussenegger, professore di biotecnologia e bioingegneria, sta progettando una piccola rivoluzione nella terapia medica. Fussenegger trova "scandaloso" che di solito ci limitiamo a "riempire" il nostro corpo di farmaci in una fase relativamente avanzata e poi speriamo di ottenere l'effetto desiderato.
Il suo team presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria dei Biosistemi (D-BSSE) di Basilea sta quindi adottando un approccio diverso. Vuole portare il terapeuta dove si trova la malattia: "Stiamo riprogrammando le cellule del corpo in sistemi di monitoraggio biologico. Questi reagiscono alle malattie dell'organismo in una fase precoce". "Queste "protesi molecolari" sono destinate a compensare i difetti metabolici responsabili di malattie come il diabete, il cancro o l'obesità.
Utilizzando metodi molecolari standard, è in grado di riprogrammare le cellule in modo che producano e secernano un principio attivo desiderato - di solito alcune proteine - in risposta a uno stimolo esterno. Il suo team utilizza la luce come stimolo. Nell'optogenetica, un campo di ricerca ancora giovane, negli ultimi anni sono stati compiuti grandi progressi nel controllo mirato di cellule geneticamente modificate utilizzando la luce. Due anni fa, Fussenegger è riuscito per la prima volta a utilizzare un modello murino per stimolare le cellule umane modificate a rilasciare una proteina umana modello irradiandole con una luce nella gamma del vicino infrarosso.
L'impianto come fabbrica di principi attivi
Il gruppo di Fussenegger ha sviluppato un impianto di plastica che combina la fonte di luce (un minuscolo LED a infrarossi) e una camera di coltura semipermeabile con le cellule geneticamente modificate per un controllo il più preciso possibile. La lampada è poi alimentata induttivamente da un campo elettromagnetico esterno al corpo. L'ingegnoso sistema apre la strada a terapie autodirette: per esempio, tramite un elettroencefalogramma registrato sulla fronte del paziente. "Questi sistemi di terapia optogenetica saranno una componente importante della medicina personalizzata", è convinto Fussenegger. L'impianto testato nel modello murino aveva ancora le dimensioni di un anello di due franchi. La prossima generazione è più simile a un fiammifero e richiede molta meno energia.
"L'energia per attivare la lampada - e quindi la produzione di proteine - in futuro potrebbe provenire anche da uno smartphone o da un orologio", prevede Fussenegger. Questo aprirebbe possibilità completamente nuove per il rapporto medico-paziente: Il medico negli Stati Uniti potrebbe regolare i livelli di insulina di un paziente diabetico in viaggio in Europa attivando la produzione di cellule di design via Internet. Questa è almeno una visione della medicina nella prossima era dell'Internet delle cose.