버블 봇: 종양으로 자율 항법하는 생체적합성 마이크로로봇

로보틱스 & 자동화 인사이더

과학자들은 두 가지 유형의 버블 봇을 만들었습니다. 위쪽 이미지에 표시된 것들은 자기 나노입자로 수정되어 외부 자석으로 종양 표적을 향해 유도됩니다. 아래쪽 것들은 표면에 다른 효소들이 결합되어 화학 기울기를 따라 종양 표적을 독립적으로 찾습니다. (이미지: Gao Lab/Caltech)

마이크로로봇의 잠재력은 거대합니다. 이 미세한 물체들은 생체표지 감지, 혈전 같은 물체 조작, 종양 부위 약물 전달 같은 체내 행동을 수행하도록 설계될 수 있습니다. 하지만 작은 봇들을 효과적이고 생체적합하며 비용 효율적으로 만드는 것은 도전적입니다. 이제 Caltech 주도 팀이 약물 전달용 차세대 마이크로로봇을 만드는 데 큰 걸음을 내디뎠습니다. 이들은 마이크로로봇의 구조와 제조 방법을 단순화하면서 봇을 매우 효과적이고 종양으로 스스로 향할 만큼 "똑똑하게" 만들었습니다.

Caltech과 USC 과학자 팀은 Nature Nanotechnology 저널 2월 2일자 논문에서 버블 봇과 쥐 방광 종양 치료 성공적 적용을 설명합니다.

Wei Gao 교수(Caltech 의공학 교수, Heritage Medical Research Institute 연구원)가 이끄는 팀은 이전에 초음파 영상과 자기 유도를 동물 모델에서 사용해 미니어처 3D 프린팅 로봇을 종양까지 전달했습니다. 거기서 생분해되며 화학요법 약물인 화물을 방출했습니다. 그 마이크로로봇들은 클린룸에서 특수 장비로 제작되었으며, 마이크로버블을 둘러싼 젤라틴 같은 폴리머인 하이드로겔 쉘을 가졌습니다. 이 쉘은 봇 추진을 도왔고 연구자들이 체내에서 봇을 추적할 수 있게 훌륭한 영상 대비를 제공했습니다.

"우리가 이걸 더 단순하게 만들고, 그냥 버블 자체를 로봇으로 만들면 어떨까?"라고 Gao 교수는 말했습니다. "버블은 쉽게 만들 수 있고 이미 매우 생체적합하다는 걸 알고 있습니다. 터뜨리고 싶으면 즉시 터뜨릴 수 있습니다."

팀은 이러한 단순한 버블 봇을 만드는 방법을 개발했습니다. 초음파 프로브를 사용해 BSA(우혈청알부민, 실험실 실험에 자주 사용되는 표준 동물 단백질)로 구성된 용액을 교반해 단백질 쉘을 가진 수천 개의 마이크로버블을 만들었습니다.

다음으로 과학자들은 단백질 쉘의 또 다른 특징인 표면의 풍부한 아민기를 활용했습니다. 아민기는 탄소-질소 결합을 특징으로 하는 원자 집합으로 쉽게 화학적으로 수정될 수 있습니다. 이 아민기에 결합함으로써 연구자들은 움직임을 제어하는 두 가지 다른 방식의 마이크로로봇을 만들었습니다. 독소루비신 같은 항암제도 두 버전 표면에 성공적으로 결합될 수 있습니다.

과학자들은 두 버전 버블 봇 표면에 우레아제 효소를 부착했습니다. 우레아제는 로봇을 움직이게 하는 작은 엔진 역할을 합니다. 이 효소는 체내 풍부한 노폐물인 요소와 반응해 암모니아와 이산화탄소를 생성합니다. 우레아제가 버블 표면에 고르게 분포되지 않아 시간이 지남에 따라 이 생성물이 한쪽에서 더 많이 쌓입니다. 그 불균형이 버블 주위에 비대칭 화학 환경을 만들어 순수한 "밀기" 힘을 생성해 마이크로로봇을 앞으로 추진합니다.

첫 번째 버전에서 팀은 버블 봇 표면에 자기 나노입자를 부착해 자기 반응성을 부여했습니다. 봇 내부 마이크로버블의 초음파 영상 도움을 받아 버블 봇을 외부 자석으로 조향해 체내 표적을 향해 보낼 수 있었습니다.

하지만 연구자들은 한 발 더 나아가고 싶었습니다. "로봇을 더 지능적으로 만들고 싶었습니다."라고 Gao는 말합니다. 종양과 염증이 정상 세포보다 높은 과산화수소 농도를 생성한다는 것을 알고, 팀은 두 번째 버전 마이크로로봇 표면에 카탈라아제라는 추가 효소를 결합하기로 결정했습니다. 카탈라아제는 과산화수소와 반응해 물과 산소를 생성합니다. 화학주성 행동으로 알려진 현상을 통해 카탈라아제 결합 버블은 자동으로 더 높은 과산화수소 농도를 향해 이동해 종양으로 향하게 합니다.

"이 경우 이미징도 필요 없고 외부 제어도 필요 없습니다. 로봇이 스스로 종양을 찾을 만큼 똑똑합니다."라고 Gao는 설명합니다. "버블 로봇의 자율적 움직임과 과산화수소 기울기 감지 능력이 이 표적화로 이어지는데, 우리는 이를 화학주성 종양 표적화라고 부릅니다."

버블 봇이 표적에 도착하면 과학자들은 집속 초음파를 적용해 버블을 터뜨려 치료 화물을 방출할 수 있습니다. 강력한 터짐 작용은 이전에 팀이 사용한 천천히 분해되는 하이드로겔 로봇보다 약물의 종양 침투를 향상시킵니다.

과학자들이 항종양 치료제를 전달하기 위해 쥐에 버블 봇을 주입했을 때, 약물 단독 투여 쥐에 비해 21일간 방광 종양 무게가 약 60% 감소하는 것을 관찰했습니다.

"이 버블 로봇 플랫폼은 단순하지만 치료에 필요한 것을 통합합니다: 생체적합성, 제어 가능한 움직임, 영상 유도, 약물이 종양 깊숙이 침투하도록 돕는 온디맨드 트리거. 우리의 목표는 항상 마이크로로봇을 실제 임상 사용에 더 가깝게 이동시키는 것이었고, 이 로봇 설계는 그 방향으로 큰 걸음입니다."라고 논문 제1저자이자 Caltech Gao 연구실에서 박사후연구원으로 근무하던 중 작업을 완료한 Songsong Tang은 말했습니다.

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