MITのエンジニアたちは、薬剤送達用ナノ粒子が血流から抜け出し、腫瘍やその他の病変部位に到達するのを助ける微小ロボットを設計した。1960年代のSF映画『ミクロの決死圏』では、潜水艇の乗組員が小さくなって人体の中を移動し、損傷した細胞を修復する。これになぞらえ、ロボットは血流の中を泳ぎ、ナノ粒子を引き連れる流れを生み出す。
細菌の推進方式に着想を得た磁性マイクロロボットは、ナノ粒子を使った薬剤送達の大きな課題の一つ、すなわち粒子を血管の外へ出し、適切な場所に集積させることの克服に役立つ可能性がある。
「ナノ材料を血流に入れて病変組織を標的にすると、その種の積荷が組織に入る際の最大の障壁となるのは血管の内壁です」と、サンギータ・バティア氏は述べる。同氏は、ジョン・アンド・ドロシー・ウィルソン健康科学・技術および電気工学・コンピューターサイエンス教授であり、MITコッホ統合がん研究所と医用工学・科学研究所のメンバー、そして本研究の筆頭著者である。
「磁力を使って流体力を生み出し、ナノ粒子を組織内へ押し込めるかどうかを確かめようと考えました」と、MITの元博士研究員で論文の筆頭著者であるシモーネ・シュエルレ氏は付け加える。この論文は4月26日付のScience Advances誌に掲載される。
同じ研究で研究者たちは、自然に磁性を持つ生きた細菌の群れを使っても、同様の効果が得られることを示した。研究者らによると、これらの手法はそれぞれ異なる種類の薬剤送達に適している可能性がある。
微小ロボット
現在、スイス連邦工科大学チューリッヒ校（ETH Zurich）の助教を務めるシュエルレ氏は、大学院生としてブラッド・ネルソン氏の同校マルチスケール・ロボティクス研究室に在籍していた頃、微小磁性ロボットの研究を始めた。2014年に博士研究員としてバティア氏の研究室に加わると、こうしたロボットがナノ粒子による薬剤送達の効率向上に役立つかどうかを調べ始めた。
多くの場合、研究者は腫瘍のように「漏れやすい」血管に囲まれた病変部位を、ナノ粒子の標的にする。これによって粒子は組織に入りやすくなるが、送達の効率は依然として十分ではない。
MITの研究チームは、磁性ロボットが生み出す力によって、粒子を血流から標的部位へ押し出すよりよい方法が得られるかどうかを調べることにした。
シュエルレ氏が本研究で用いたロボットは長さ0.35ミリメートルで、単一の細胞ほどの大きさがあり、外部磁場をかけて制御できる。研究者が「人工細菌鞭毛」と呼ぶこの生体模倣ロボットは、多くの細菌が推進に使う鞭毛に似た小さな螺旋構造から成る。高解像度の3Dプリンターで造形した後、磁性を持たせるためにニッケルでコーティングする。
単体のロボットが近くのナノ粒子を制御できるかを調べるため、研究者たちは腫瘍周辺の血管を模したマイクロ流体システムを作製した。幅50～200マイクロメートルの流路は、腫瘍近くに見られる損傷した血管を模す穴のあるゲルで覆われている。
研究者たちは外部磁石を使ってロボットに磁場をかけ、螺旋を回転させて流路内を泳がせた。流体は流路内を反対方向に流れるため、ロボットはその場にとどまり、対流を生み出す。この流れが、直径200ナノメートルのポリスチレン粒子をモデル組織へ押し込む。粒子は、磁性ロボットを使わずに送達したナノ粒子に比べ、組織内へ2倍の深さまで浸透した。
この種のシステムは、固定されていて外部から磁場をかけて狙いやすいステントに組み込める可能性がある。バティア氏によると、ステント留置部位の炎症を抑える薬剤の送達に、こうした方法が役立つ可能性がある。
細菌の群れ
研究者たちは、マイクロロボットの代わりに、自然に磁気走性を持つ細菌の群れを利用する、この手法の別の方式も開発した。バティア氏は以前、細菌が病変部位に集まる自然な性質を利用し、がんと闘う薬剤を送達することや、がんを診断するために利用できる細菌を開発している。
本研究では、研究者たちはMagnetospirillum magneticumという種類の細菌を使用した。この細菌は自然に酸化鉄の鎖を作り出す。マグネトソームと呼ばれるこれらの磁性粒子は、細菌が自らの向きを定め、好む環境を見つけるのに役立つ。
研究者たちは、この細菌をマイクロ流体システムに入れ、特定の向きで回転磁場をかけると、細菌が同調して回転し、同じ方向へ移動し始め、近くにあるナノ粒子を引き連れることを発見した。この場合、磁力の補助なしにナノ粒子を送達したときに比べ、モデル組織への粒子の押し込み速度は3倍になった。
この細菌を使う方法は、腫瘍のような状況での薬剤送達により適している可能性がある。群れを視覚的なフィードバックなしに外部から制御し、腫瘍全体の血管で流体力を生み出せるためだ。
研究者たちが本研究で用いた粒子は、CRISPRゲノム編集システムに必要な構成要素を含む、大きな積荷を運べるサイズだとバティア氏は述べる。同氏は今後、シュエルレ氏と協力し、動物モデルで試験するために、これら2つの磁性アプローチをさらに発展させる計画だ。
