Wie Bakterien in der Krebsbehandlung zu winzigen Robotern werden
Bakterien wie Mikroroboter durch den Körper lenken, um Tumorzellen direkt vor Ort zu zerstören – daran arbeiten Forschende des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart. Sie statten Bakterien der Gattung E. coli mit künstlichen Komponenten aus, um sie besser steuern zu können.
Foto: Akolpoglu et al., Sci. Adv. 8, eabo6163 (2022)
Es ist ein Stück Zukunftsmusik, für das ein Team der Abteilung für Physische Intelligenz des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart eine virtuose Partitur geschrieben hat. Den Forschenden an der Schnittstelle von Robotik und Biologie gelang es Bakterien so auszurüsten, dass sie zu biohybriden Mikrorobotern werden.
Mehrere kugelförmige Nanoliposome wurden dazu an den E. coli-Bakterien angebracht. In ihrem äußeren Ring umschließen diese Transportkomponenten ein Material (ICG), das das Nanoliposom zum Schmelzen bringt, wenn es mit Nahinfrarotlicht beleuchtet wird. In seinem Inneren aber lagen eingekapselt wasserlösliche chemotherapeutische Wirkstoffmoleküle (DOX), das eigentliche Medikament.
Magnetische Nanopartikel wirken wie zusätzlicher Antrieb
Mithilfe von Fäden aus einem Streptavidin-Biotin-Komplex fixierten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen magnetische Nanopartikel aus Eisenoxid am Bakterium. Diese Partikel wirken wie ein zusätzlicher Antrieb, wenn man die sehr beweglichen und agilen Bakterien einem Magnetfeld aussetzt. Damit ist auch eine bessere Kontrolle der Bakterien möglich – ein Vorteil, wenn solche Mikroroboter eines Tages wirklich durch den Körper gelenkt werden sollen.
Bakterien können sich in verschiedensten Medien zielsicher fortbewegen. Und sie verfügen über sehr feine Sensoren, so reagieren sie stark auf einen niedrigen Sauerstoff- oder auch auf einen hohen Säuregehalt. In der Nähe von Tumorgewebe ist beides zu finden.
Krebstherapie: Mit Medikamenten beladene Bakterien gezielt zum Tumor steuern
Für die Krebsbehandlung werden Bakterien in unmittelbare Nähe des Tumors gespritzt, um ihn zu besiedeln und eine Immunreaktion auszulösen. Dem Stuttgarter Team gelang es, 86 von 100 Bakterien sowohl mit Liposomen als auch mit magnetischen Partikeln auszustatten und die Mikroben darüber von außen durch verschiedene Parcours zu steuern.
Dabei konnten die von Magneten gesteuerten Mikroroboter durch Bahnen, winzig wie Blutgefäße, zu einem Tumorsphäroid (ein Klumpen Tumorzellen) manövriert werden. Das gelang sogar in einem zähflüssigen Kollagengel, so wie sich Tumorgewebe oft präsentiert. Je steifer das Kollagen und je dichter das Netz aus Proteinsträngen, desto schwerer war es für die Bakterien, einen Weg durch die engmaschige Matrix zu finden. Dennoch gelang auch diese schwierige Aufgabe.
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Mikroroboter mit Nahinfrarotlaser bestrahlt, um Wirkstoffe freizusetzen
An der gewünschten Stelle im Tumor angelangt, wurden die Mikroroboter mit Nahinfrarotlasern auf bis zu 55 °C erwärmt. Dadurch schmolz das Liposom und gab die eingeschlossenen Wirkstoffe frei. Auch über einen niedrigen pH-Wert oder eine saure Umgebung lässt sich die Freigabe der Medikamente steuern.
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„Man stelle sich vor, wir würden solche auf Bakterien basierende Mikroroboter in den Körper eines Krebspatienten injizieren. Mit einem Magneten könnten wir die Partikel genau auf den Tumor zu lenken“, sagt Birgül Akolpoglu, Doktorandin der Abteilung für Physische Intelligenz am MPI für Intelligente Systeme. „Sobald genügend Mikroroboter den Tumor umgeben, richten wir einen Laser auf das Gewebe und lösen damit die Medikamentenfreigabe aus. Es wird nicht nur das Immunsystem aktiviert; zusätzlich helfen die Medikamente, den Tumor zu zerstören“, erklärt die Erstautorin der Publikation mit dem Titel „Magnetically steerable bacterial microrobots moving in 3D biological matrices for stimuli-responsive cargo delivery“, die unter der Leitung des ehemaligen Postdocs der Abteilung für Physische Intelligenz, Dr. Yunus Alapan, entstanden ist und im Fachblatt Science Advances publiziert wurde.
Minimalinvasive und schmerzfreie Medikamentengabe
„Diese Medikamentenabgabe an Ort und Stelle wäre für den Patienten minimalinvasiv, schmerzfrei, nicht giftig und die Medikamente würden ihre Wirkung statt im gesamten Körper dort entfalten, wo sie benötigt werden“, erklärt Yunus Alapan. „Bakterienbasierte biohybride Mikroroboter mit medizinischen Funktionen könnten eines Tages Krebs effektiv bekämpfen. Es handelt sich um einen neuen therapeutischen Ansatz, der möglicherweise nicht allzu weit in der Zukunft liegt“, meint auch Metin Sitti, der die Abteilung leitet und Letztautor der Studie ist. „Die Wirkung medizinischer Mikroroboter bei der Suche und Zerstörung von Tumorzellen könnte erheblich sein. Unsere Arbeit ist ein großartiges Beispiel für Grundlagenforschung, die der Gesellschaft zugutekommt.“
