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Multifunktionaler Mikroschwimmer transportiert Fracht und zerstört sich selbst

26.04.2018

Forscher entwickeln einen frei beweglichen Biohybrid-Mikroschwimmer, der in der Lage ist, Medikamente zu transportieren, die in einem roten Blutkörperchen eingekapselt sind. Ein angedocktes Bakterium fungiert als Propeller, um ihn vorwärts zu bewegen. Hat er sein Ziel erreicht und seine Ladung abgeliefert, können die Wissenschaftler den Mikroschwimmer mittels Infrarotlicht zerstören.

Forscher der Abteilung für Physische Intelligenz am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart haben einen multifunktionalen Mikroschwimmer entwickelt, der aus zwei Teilen mit jeweils einzigartigen Eigenschaften besteht: Sie kombinieren ein Bakterium, einen der effizientesten in der Natur vorkommenden Schwimmer, mit einem roten Blutkörperchen (RBC), einem natürlichen Transportmittel innerhalb des menschlichen Körpers.


Der von einem Bakterium angetriebene Mikroschwimmer quetscht sich durch eine 2 µm kleine Lücke

Erythrozyten haben außergewöhnliche Fähigkeiten. Sie haben eine hohe Tragkraft und können sich leicht verformen; sie können sich durch schmale, halb so große Kapillaren quetschen. Das war der Grund, warum die Forscher rote Blutkörperchen auswählten, als sie an einem Mikroschwimmer forschten, der das Kriterium hohe Tragkraft und Flexibilität erfüllen sollte. Denn kombiniert mit der Antriebsdynamik von Bakterien – dem Motor des Mikroschwimmers – ist es ihm möglich, Ladung selbst durch enge Kanäle oder Lücken zu transportieren.

Die Ladung haben die Forscher in das rote Blutkörperchen eingekapselt: zum einen das Krebsmedikament Doxorubicin sowie Eisen-Nanopartikel, damit die Wissenschaftler den Mikroschwimmer magnetisch steuern können. Am Zielort angekommen, zum Beispiel bei einer Krebszelle, greift die saure Umgebung des Tumors die Membran des roten Blutkörperchens an, macht sie brüchig, so dass das Krebsmedikament entweichen kann.

Die geladenen Krebsmedikamente werden sozusagen vor der Haustüre der Krebszelle abgeliefert. Ist diese Aufgabe erfüllt, können die Forscher den Mikroschwimmer zerstören, indem sie ihn mittels Infrarotlicht so aufheizen, dass er sich zersetzt. Wie das funktioniert, dazu unten mehr.

„Drei Dinge zeichnen diesen Mikroschwimmer aus", sagt Oncay Yasa, der zusammen mit Yunus Alapan den Mikroschwimmer erfunden hat. Ihre Forschungsarbeit erschien am 25. April im Science Robotics Journal mit dem Titel Soft Erythrocyte-based Bacterial Microswimmers for Cargo Delivery. „Erstens ist seine Verformbarkeit beeindruckend: Der Mikroschwimmer kann sich durch enge Lücken von nur zwei Mikrometern quetschen, während er selbst etwa sechs Mikrometer groß ist."

„Zweitens ist die Verbindung zwischen dem Bakterium, dem Motor und dem roten Blutkörperchen, dem Frachtraum, sehr stark, da wir eine sehr kraftvolle Wechselwirkung in der Natur ausnutzen", fügt Oncay Yasa hinzu. „Wir verwenden das Protein Avidin, das als Karabinerhaken fungiert: Es verbindet sich auf einer Seite mit Biotin, das aus der Membran des Bakteriums herausragt, und auf der anderen Seite dockt es an die Antikörper (Anti-TER-119) an, die das rote Blutkörperchen bedecken. Auf diese Weise gibt es keine starre chemische Reaktion beim Verbinden des Bakteriums mit dem roten Blutkörperchen.
Vielmehr ist es eher ein bewegliches Karabinerhakensystem, das die beiden Teile verbindet – mit Avidin in der Mitte. Das macht den Mikroschwimmer robuster und flexibler als andere."

„Drittens", fährt Yunus Alapan fort, „haben wir die roten Blutkörperchen mit speziellen Molekülen beladen, die Infrarotlicht absorbieren können. Wenn wir Infrarotlicht von außen anschalten, erwärmt sich das rote Blutkörperchen, zerstört sich selbst und das angekoppelte Bakterium. Das löst das Problem, was tun, wenn die Medikamente abgeliefert wurden. Wir müssen das Bakterium sofort vernichten, um seine unkontrollierte Vermehrung zu verhindern. Wir wollen vermeiden, dass sich der Körper mit einer Immunreaktion verteidigt."

Eines Tages wollen die Forscher ihre Erfindung in einem Verdauungstrakt oder im Magen testen, aktuell aber begnügen sie sich mit Versuchen unter dem Mikroskop. „Biohybride Mikroschwimmer bieten aufgrund ihrer ungebundenen Lenkbarkeit, hohen Nutzlast, Verformbarkeit und der Möglichkeit der Zerstörung ein großes Potenzial für zukünftige nicht-invasive medizinische Eingriffe – etwas, das wir "Terminierungsschalter" nennen“, sagt Oncay Yasa.

„Der von uns entwickelte Mikroschwimmer weist eine einzigartige Multifunktionalität auf, die bei anderen bakterienangetriebenen Mikroschwimmern bisher nicht beobachtet wurde", ergänzt Metin Sitti, Direktor der Abteilung für Physische Intelligenz am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, der zusammen mit Alapan und Yasa an der Studie gearbeitet hat. „Die vorgestellten RBC-Mikroschwimmer sind ein großer Schritt hin zum eventuellen Einsatz weicher Biohybrid-Mikroschwimmer in klinischen Anwendungen, obwohl es noch Herausforderungen wie die Immunabwehr des Körpers zu überwinden gilt. „Unser RBC-Mikroschwimmer dient als Blaupause für die nächste Generation multimodaler, zielgerichteter Frachtliefersysteme," sagt Alapan abschließend.

Mitautoren der Forschungsarbeit sind Oliver Schauer und Victor Sourjik vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie sowie Joshua Giltinan und Ahmet F. Tabak vom Max-Planck-Institut für intelligente Systeme.

http://robotics.sciencemag.org/content/3/17/eaar4423

Über uns:
Am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme wollen wir die Prinzipien von Wahrnehmung, Handeln und Lernen in intelligenten Systemen verstehen.

Unser Institut ist auf zwei Standorte verteilt: Stuttgart und Tübingen. Die Forschung am Standort Stuttgart umfasst Kleinrobotik, Selbstorganisation, haptische Wahrnehmung, bio-inspirierte Systeme, medizinische Robotik und physikalische Intelligenz. Der Tübinger Standort des Instituts konzentriert sich auf maschinelles Lernen, Computer Vision und die Steuerung intelligenter Systeme.

www.is.mpg.de 

Das MPI-IS ist eines der 84 Max-Planck-Institute der Max-Planck-Gesellschaft. Sie ist Deutschlands erfolgreichste Forschungsorganisation. Seit ihrer Gründung im Jahr 1948 sind nicht weniger als 18 Nobelpreisträger aus den Reihen ihrer Wissenschaftler hervorgegangen, womit sich die MPG mit den besten und renommiertesten Forschungseinrichtungen weltweit messen kann.

Alle Institute betreiben Grundlagenforschung im Dienste der Allgemeinheit in den Natur-, Lebens-, Sozial- und Geisteswissenschaften. Die Max-Planck-Institute konzentrieren sich auf Forschungsfelder, die besonders innovativ sind oder besonders hohe Anforderungen an die Finanzierung oder den Zeitaufwand stellen. Und ihr Forschungsspektrum entwickelt sich ständig weiter: Neue Institute werden gegründet, um Antworten auf zukunftsträchtige wissenschaftliche Fragen zu finden, während andere geschlossen werden, wenn beispielsweise ihr Forschungsfeld an den Universitäten weit verbreitet ist. Diese kontinuierliche Erneuerung erhält den Spielraum, den die Max-Planck-Gesellschaft braucht, um schnell auf wegweisende wissenschaftliche Entwicklungen reagieren zu können.

www.mpg.de

Professor Dr. Metin Sitti ist Direktor der Abteilung für Physische Intelligenz am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart. Sitti erhielt 1992 und 1994 seinen BSc und MSc in Elektrotechnik von der Boğaziçi Universität in Istanbul und 1999 seinen Doktortitel in Elektrotechnik von der Universität Tokio. In den Jahren 1999 und 2002 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter an der University of California in Berkeley. In den Jahren 2002-2016 war er Professor am Department of Mechanical Engineering and Robotics Institute der Carnegie Mellon University in Pittsburgh, USA. Seit 2014 ist er einer der Direktoren am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme.

Sitti und sein Team wollen die Prinzipien von Design, Fortbewegung, Wahrnehmung, Lernen und Steuerung von kleinen mobilen Robotern aus intelligenten und weichen Materialien verstehen. Die Intelligenz solcher Roboter beruht hauptsächlich auf ihrem physischen Design, ihrem Material, ihrer Anpassung und ihrer Selbstorganisation und nicht auf ihrer rechnerischen Intelligenz. Solche Methoden der physischen Intelligenz sind für kleine Milli- und Mikroroboter unentbehrlich, vor allem wegen ihrer inhärent eingeschränkten Rechen-, Antriebs-, Leistungs-, Wahrnehmungs- und Steuerungsmöglichkeiten an Bord. Sittis Zukunftsvision ist, dass seine neuartigen Kleinrobotersysteme eines Tages im Gesundheitswesen, in der Biotechnologie, in der Produktion oder in der Umweltüberwachung eingesetzt werden könnten.

Dr. Yunus Alapan ist Postdoc und Humboldt Stipendiat in der Abteilung für Physische Intelligenz des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart. Er erhielt seinen BSc und MSc in Maschinenbau von der Yildiz Technical University in Istanbul in 2011 bzw. 2012 und seinen Doktortitel in Fach Maschinenbau von der Case Western Reserve University im Jahr 2016. Dr. Alapan gewann den ersten Platz im NASA Tech Briefs' Create the Future Design Contest in der Kategorie Medical im Jahr 2014 und den Student Technology Prize for Primary Healthcare des Center for Integration of Medicine and Innovative Technology in 2016. Seine Postdoc-Forschung wird seit Februar 2017 von der Alexander von Humboldt-Stiftung gefördert.

Oncay Yasa ist Doktorand in der Abteilung für Physische Intelligenz des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart. Seinen Bachelor-Abschluss erwarb er 2012 am Institut für Molekularbiologie und Genetik der Middle East Technical University (METU), Türkei. Anschließend studierte er an der Bilkent Universität und forschte am National Nanotechnology Research Center (UNAM) auf dem Gebiet der biomimetischen selbstorganisierten Makromoleküle für die regenerative Medizin. Seinen Master-Abschluss erhielt er 2015 am Institut für Materialwissenschaft und Nanotechnologie der Bilkent Universität. Seit fast drei Jahren arbeitet er als Doktorand am MPI-IS und beschäftigt sich mit selbsttätigen biohybriden Mikrosystemen. Yasa kombiniert sein Wissen im Bereich Molekularbiologie mit dem der Materialwissenschaft, um neuartige biohybride Mikroschwimmer zu entwickeln, die in der Wirkstofffreisetzung eingesetzt werden können.

Video: Researchers develop multifunctional bacterial microswimmer

Linda Behringer | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme
Weitere Informationen:
http://www.is.mpg.de

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