İlaçların doğru şekilde dağıtımı, farmasötik araştırmalarda uzun süredir zorluk teşkil etmektedir. Terapötik etkileri en üst düzeye çıkarmak için ilaçlar doğrudan hedef organlara, dokulara veya hücrelere verilmelidir, fakat geleneksel yöntemler yetersiz kalmaktadır. Nano taşıyıcı tabanlı ilaç dağıtım sistemleri, ilaç çözünürlüğünü artırarak, dağılımı değiştirerek, salım oranlarını ayarlayarak ve hedef bölgelerde ilaç agregasyonunu teşvik ederek umut verici bir çözüm sunmaktadır. Kapsamlı araştırmalara rağmen, az sayıda nano ilaç klinik deneylere girmekte ve daha da azı onaylanmaktadır.
Nano taşıyıcılarla etkili ilaç dağıtımı genellikle sistemik dağılım için kan dolaşımına dayanır. Tümör dokuları kendilerine özgü fizyolojik yapılarıyla pasif hedefleme nanodruglarının gelişmiş geçirgenlik ve tutma etkisi aracılığıyla birikmesine izin verir. Bu etki vücudun mekanizmaları tarafından sınırlandırılır ve tümörlerde minimum nanopartikül birikimine neden olur. Belirli hücre belirteçlerine bağlanan ligandlarla tasarlanan aktif hedefleme nanopartikülleri de bazı güçlüklerle karşı karşı kalmaktadır. Hedefleri otonom olarak bulamazlar ve hedef dokulardaki reseptörlere ulaşmak ve bağlanmak için kan dolaşımına bağlıdırlar. Sonuç olarak, aktif hedeflemenin tümör birikimindeki etkinliği yetersiz kalmaktadır.
Doğru şekilde ilaç dağıtımı sağlamak için, bir sistemin kendi başına ilerlemesi, gezinmesi, dokulara nüfuz etmesi, yükleri çekmesi ve tam olarak serbest bırakması gerekir. Mevcut nano taşıyıcı sistemler bu özellikleri karşılamakta zorlanmaktadır. Malzeme bilimi, moleküler biyoloji, mekanik ve yapay zeka alanlarındaki ilerlemeler mikro/nanorobotların geliştirilmesini tetiklemiştir. Richard Feynman tarafından 1959 yılında önerilen nanorobotlar, günümüzde ilaç dağıtımı da dahil olmak üzere tıbbi uygulamalar için yaygın olarak araştırılmaktadır. Kan dolaşımına dayanan geleneksel yöntemlerin aksine, mikro/nanorobotlar ilaçları ulaşılması zor bölgelere ulaştırmak için kendi başlarına hareket edebilirler. Bu robotlar, harici (örn. manyetik, ultrason, ışık) veya dahili dinamiklerle (örn. kimyasal, biyolojik reaksiyonlar) çalışan dahili bir yük ve harici bir kabuktan oluşur. Mikro/nanorobotlar, mevcut sistemlerin hareket kısıtlamalarının üstesinden gelerek hedefli ilaç dağıtımı için umut verici bir alternatif sunmaktadır.
Dışsal güç yönlendirmeli mikro/nanorobotlar
Mikro veya nano ölçekleri göz önüne alındığında, ilaç dağıtım robotları vücut sıvılarında gezinmek için Brown hareketinin üstesinden gelmelidir. Hareketlerini kontrol etmek için genellikle manyetik alanlar, elektrik alanları, ışık, ses dalgaları ve ısı gibi dışsal güç kaynakları kullanılır ve bazen gelişmiş işlevsellik için birden fazla yöntem birleştirilir.
Manyetik alan yönlendirmeli mikro/nanorobotlar
Manyetik alanlar mikro/nanorobotlar için popüler bir güdüm yöntemidir ve sarmal yüzücüler, esnek yüzücüler ve yüzey yürüyüşçüleri gibi çeşitli yüzme stratejilerini mümkün kılar. Bakteri kamçısından esinlenen sarmal yüzücüler, sıcaklık kontrolü altında hassas navigasyon ve ilaç salınımı sağlayan titanyum kaplı yapay bakteri kamçısı (ABF) tarafından gösterildiği üzere, hareket etmek için dönen manyetik alanlar kullanmaktadır. Metallerin vücutta uzun süreli varlığı potansiyel riskler oluşturmakta ve biyouyumluluğun dikkatli bir şekilde değerlendirilmesini gerektirmektedir.
Au-Ag-Ni nanotel gibi esnek yüzücüler, balık hareketlerini taklit eder ve ilaç dağıtımı için tasarlanmıştır. Bu yüzücüler, dönen manyetik alanlara karşı hareket edebilir ve performansları ilaç yüklü partiküller ile nanomotor arasındaki boyut oranından etkilenir. Solucan benzeri manyetik nanorobotlar, mezogözenekli silika nanotüp yapılarıyla, biyolojik sıvılarda kontrollü ilaç dağıtımı ve salınımı için umut vaat etmektedir.
Yüzey manyetik yürüteçleri ve diğer gelişmekte olan manyetik alan yönlendirmeli nanorobotlar da hedefli ilaç dağıtımı için umut vaat etmektedir. Ancak bu robotlardaki metal bileşenler bağışıklık veya enflamatuar reaksiyonlara neden olarak in vivo uygulamalarını sınırlandırabilmektedir.
Elektrik alan yönlendirmeli mikro/nanorobotlar
Elektrik alanları, genellikle manyetik alanlarla birlikte mikro/nanorobotları yönlendirebilir. Örneğin, Janus kolloidal sistemi hareket ve kargo dağıtımı için yüksek frekanslı elektrik alanları kullanır ve hareket yönü manyetik alanlar tarafından kontrol edilir. Elektrik alanları aynı zamanda katalitik nanomotorların hızını ve yönünü de düzenleyebilir. Elektrik alanlarının nüfuzu manyetik alanlara kıyasla sınırlıdır ve insan dokularına zarar verebilecek daha yüksek şiddetler gerektirir.
Işık enerjisi yönlendirmeli mikro/nanorobotlar
Kontrol edilebilirliği ile bilinen ışık enerjisi; ışık frekansını, polarizasyonunu, yoğunluğunu ve yönünü düzenleyerek nanorobotları harekete geçirmek için kullanılır. Fotokatalitik reaksiyonlar da görünür ışıkla aktive edilen glikoz yakıtlı Cu2O@N-katkılı karbon nanotüp mikromotorlarda görüldüğü gibi nanorobotları harekete geçirebilir. Daha iyi doku penetrasyonuna ve minimum yan etkiye sahip olan yakın-kızılötesi (NIR) ışık, nanorobotları harekete geçirme konusunda potansiyel göstermiştir.
Ultrason enerjisi yönlendirmeli mikro/nanorobotlar
Ultrason, güçlü itici güç ve mükemmel biyouyumluluk sağlayarak ilaç dağıtımı için umut verici bir yöntemdir. Genellikle manyetik alanlarla birleştirilen ultrason yönlendirmeli nanorobotlar, hücrelere etkili bir şekilde nüfuz edebilir ve ilaçları taşıyabilir. Bununla birlikte, ultrason hücrelerde oksidatif strese neden olabilir ve potansiyel olarak hedef olmayan hücreleri etkileyebilir.
Endojen güç yönlendirmeli mikro/nanorobotlar
Kimyasal veya biyolojik reaksiyonlar gibi endojen güç kaynakları da nanorobotları harekete geçirir. Bu nanorobotlar genellikle çevreden gelen kimyasal enerjiyi harekete dönüştürmek için katalizörler kullanır. Hidrojen peroksit ayrışması yaygın bir yöntemdir, ancak toksisitesi in vivo uygulamaları sınırlamaktadır. Magnezyum gibi biyouyumlu alternatifler, glikoz ve üre gibi toksik olmayan yakıtlar kullanan enzim katalizli reaksiyonlar incelenmektedir. Örneğin, üreaz fonksiyonlu nanorobotlar üreyi ayrıştırarak hareket etmekte ve ilaçları serbest bırakarak kanser hücrelerini hedeflemede yüksek verimlilik göstermektedir.
Kırmızı kan hücreleri, bakteriler ve kök hücreler de dahil olmak üzere hücre tabanlı mikro/nanorobot sistemleri, doğal kaçış mekanizmaları nedeniyle mükemmel biyouyumluluk ve hedefe yönelik ilaç dağıtımı için potansiyel sunmaktadır. Bu sistemler genellikle yönlendirilmiş hareket için manyetik alanlar veya ses dalgaları gibi harici uyaranlara ihtiyaç duyarlar. Örneğin, Shao ve arkadaşları nötrofiller ve mezogözenekli silika nanopartiküller (MSN'ler) kullanarak hibrit mikromotorlar geliştirmiştir. E. coli kaplı Dox ile yüklenen bu mikromotorlar, E. coli tarafından üretilen kemoatraktan gradyanları boyunca etkili bir şekilde hareket etmiştir. İlaç, kuantum noktaları (QD'ler) ve manyetik nanopartiküller (MNP'ler) ile yüklü kırmızı kan hücreleri (RBC'ler), tek başına ilaçlara kıyasla önemli ölçüde azaltılmış sitotoksisite ile etkili manyetik yönlendirme ve ultrason yönlendirmeli hareket göstermiştir. Benzer şekilde, Magnetococcus marinus MC-1 gibi manyeto-aerotaktik bakteriler, ilaç içeren nanolipozomlarla birlikte, ilaç dağıtımı için tümör hipoksik bölgelerine başarıyla nüfuz etmiştir.
DNA origami nanorobotlar
Tek sarmallı DNA'yı belirli şekillere katlamak için tamamlayıcı baz eşleşmesini kullanan bir teknik olan DNA origami, akıllı ilaç dağıtımında karşımıza çıkmaktadır. Bu DNA nano yapıları, fonksiyonel ligandları, biyomolekülleri veya nano ölçekli nesneleri hassas bir şekilde konumlandırarak hedefleme yeteneklerini artırabilir. DNA origami robotları tipik olarak kendi kendine hareket etmekten yoksun olsa da, hedefe yönelik ilaç dağıtımında mükemmeldirler. Örneğin, dikdörtgen bir DNA origami nanorobotu (20 nm × 30 nm) adriamisin ilacını yumurtalık kanseri hücrelerine etkili bir şekilde iletmiştir. Diğer çalışmalar, DNA origami robotlarının hedef hücrelere trombin veya ribonükleaz A (RNaz A) vererek etkili tümör hüclerini öldürdüğünü göstermiştir. Bu başarılara rağmen bu nanorobotların in vivo ortamda tutulma süresi, bağışıklık sisteminin temizlenmesi nedeniyle bir sorun olmaya devam etmektedir.
Mikro/nanorobotların hedefli ilaç dağıtımı için etkinliği in vitro olarak gösterilmiştir. Bu mikro/nanorobotların potansiyel in vivo uygulamaları ve laboratuvardan klinik kullanıma geçişte karşı karşıya kalınan zorlukları araştırılmaktadır. Gastrointestinal sistem, erişilebilirliği nedeniyle bu robotlar için ortak bir hedeftir. Örneğin, klaritromisin (CLR) yüklü Mg bazlı mikrorobotlar farelerde H. pylori enfeksiyonlarını başarıyla tedavi etmiş, bakteri yükünde önemli bir azalma göstermiş ve güvenliklerini kanıtlamıştır. Benzer şekilde, Zn tabanlı mikrorobotlar altın nanopartiküllerini yüksek tutunma oranlarıyla fare midelerine ulaştırmıştır.
Bağırsaklarda, mikro robotların derinlemesine görüntülenmesi için fotoakustik bilgisayarlı tomografi (PACT) teknolojisi kullanılmıştır. Enterik bir kaplama ile kapsüllenmiş Mg bazlı mikromotorlar, Mg ve su arasındaki kimyasal bir reaksiyonun etkisiyle bağırsağa ulaştıklarında yüklerini serbest bırakarak ilacın kademeli olarak salınmasını sağlar. Kan, karmaşıklığı nedeniyle daha önemli zorluklar teşkil etmektedir. Karbonat ve traneksamik asit kullanan kendi kendine hareketli partiküller, farelerde ve domuzlarda hemostaz için stabil hareket ve etkili trombin iletimi göstermiştir. Diğer yenilikçi tasarımlar arasında sperm mikromotorları ve intravasküler ilaç dağıtımı için çok işlevli mikro silindirler yer almaktadır.
Tümörlerin, gözlerin ve diğer belirli alanların hedeflenmesi de araştırılmıştır. Örneğin, Magnetococcus marinus suşu MC-1, ilaç yüklü lipozomları tümör hipoksik bölgelerine iletmiştir. Buna ek olarak, göz tedavileri için, hedeflenen ilaç dağıtımını yapabilen ve yan etkileri önlemek için daha sonra çıkarılabilen iki katmanlı hidrojel mikrorobotlar tasarlanmıştır. Kök hücre tedavisinde, manyetik alanlar tarafından yönlendirilen 3B gözenekli mikrorobotlar, doku onarımı için kök hücrelerin hassas bir şekilde iletilmesini sağlar. Bu mikrorobotlar, HeLa hücrelerinin farelere veya insan yağından türetilmiş kök hücrelerin (hADMSC'ler) tavşan diz kıkırdak lezyonlarına verilmesi gibi, hücreleri in vivo olarak belirli bölgelere taşıma becerisi göstermiştir.
Tablo 1. Son yıllarda hayvan modellerinde ilaç yüklü mikro/nanorobotların uygulanması
İlaç dağıtımı için mikro/nanorobotlar alanı hızla gelişmektedir, fakat pratik uygulama hala zorlayıcıdır. Bu robotlar hassas hareket, otonom dağıtım ve vücuttan güvenli bir şekilde temizlenmeyi gerektirmektedir. Malzemeler, 3B baskı ve diğer teknolojilerdeki ilerlemelerin bu robotların tasarımını geliştirmesi ve bizi klinik ortamlardaki gerçek potansiyellerine yaklaştırması beklenmektedir. Gelecekteki gelişmeler arasında gerçek zamanlı izleme, in vivo görselleştirme ve daha iyi işlevsellik ve güvenlik için biyo-esinlenmiş tasarımlar yer alabilir.
Felfoul, O.; Mohammadi, M.; Taherkhani, S.; De Lanauze, D.; Xu, Y.Z.; Loghin, D.; Essa, S.; Jancik, S.; Houle, D.; LaFleur, M.; et al. Magneto-aerotactic bacteria deliver drug-containing nanoliposomes to tumour hypoxic regions. Nat. Nanotechnol. 2016, 11, 941–947.
Rothemund, P.W.K. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature 2006, 440, 297–302.
Lu, X.; Liu, J.; Wu, X.; Ding, B. Multifunctional DNA Origami Nanoplatforms for Drug Delivery. Chem. Asian J. 2019, 14, 2193–2202.
Palazzolo, S.; Hadla, M.; Spena, C.R.; Bayda, S.; Kumar, V.; Re, F.L.; Adeel, M.; Caligiuri, I.; Romano, F.; Corona, G.; et al. Proof-of-Concept Multistage Biomimetic Liposomal DNA Origami Nanosystem for the Remote Loading of Doxorubicin. ACS Med. Chem. Lett. 2019, 10, 517–521.
Palazzolo, S.; Hadla, M.; Spena, C.R.; Caligiuri, I.; Rotondo, R.; Adeel, M.; Kumar, V.; Corona, G.; Canzonieri, V.; Toffoli, G.; et al. An Effective Multi-Stage Liposomal DNA Origami Nanosystem for In Vivo Cancer Therapy. Cancers 2019, 11, 1997.
Li, X.; Wang, X.; Li, H.; Shi, X.; Zheng, P. A Programming 20–30nm Rectangular DNA Origami for Loading Doxorubicin to Penetrate Ovarian Cancer Cells. IEEE Trans. NanoBiosci. 2020, 19, 152–157.
Li, S.; Jiang, Q.; Liu, S.; Zhang, Y.; Tian, Y.; Song, C.; Wang, J.; Zou, Y.; Anderson, G.J.; Han, J.-Y.; et al. A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo. Nat. Biotechnol. 2018, 36, 258–264.
Zhao, S.; Duan, F.; Liu, S.; Wu, T.; Shang, Y.; Tian, R.; Liu, J.; Wang, Z.-G.; Jiang, Q.; Ding, B. Efficient Intracellular Delivery of RNase A Using DNA Origami Carriers. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 11112–11118.
De Ávila, B.E.-F.; Angsantikul, P.; Li, J.; Lopez-Ramirez, M.A.; Ramírez-Herrera, D.E.; Thamphiwatana, S.; Chen, C.; Delezuk, J.; Samakapiruk, R.; Ramez, V.; et al. Micromotor-enabled active drug delivery for in vivo treatment of stomach infection. Nat. Commun. 2017, 8, 1–9.
Gao, W.; Dong, R.; Thamphiwatana, S.; Li, J.; Gao, W.; Zhang, L.; Wang, J. Artificial Micromotors in the Mouse’s Stomach: A Step toward in Vivo Use of Synthetic Motors. ACS Nano 2015, 9, 117–123.
Wu, Z.; Li, L.; Yang, Y.; Hu, P.; Li, Y.; Yang, S.-Y.; Wang, L.V.; Gao, W. A microrobotic system guided by photoacoustic computed tomography for targeted navigation in intestines in vivo. Sci. Robot. 2019, 4, eaax0613.
Baylis, J.R.; Yeon, J.H.; Thomson, M.H.; Kazerooni, A.; Wang, X.; John, A.E.S.; Lim, E.B.; Chien, D.; Lee, A.; Zhang, J.Q.; et al. Self-propelled particles that transport cargo through flowing blood and halt hemorrhage. Sci. Adv. 2015, 1, e1500379.
Xu, H.; Medina-Sánchez, M.; Maitz, M.F.; Werner, C.; Schmidt, O.G. Sperm Micromotors for Cargo Delivery through Flowing Blood. ACS Nano 2020, 14, 2982–2993.
Alapan, Y.; Bozuyuk, U.; Erkoc, P.; Karacakol, A.C.; Sitti, M. Multifunctional surface microrollers for targeted cargo delivery in physiological blood flow. Sci. Robot. 2020, 5, eaba5726.
Kim, D.; Lee, H.; Kwon, S.; Sung, Y.J.; Song, W.K.; Park, S. Bilayer Hydrogel Sheet-Type Intraocular Microrobot for Drug Delivery and Magnetic Nanoparticles Retrieval. Adv. Health Mater. 2020, 9, e2000118.
Li, J.; Li, X.; Luo, T.; Wang, R.; Liu, C.; Chen, S.; Li, D.; Yue, J.; Cheng, S.H.; Sun, D. Development of a magnetic microrobot for carrying and delivering targeted cells. Sci. Robot. 2018, 3, eaat8829.
Jeon, S.; Kim, S.; Ha, S.; Lee, S.; Kim, E.; Kim, S.Y.; Park, S.H.; Jeon, J.H.; Kim, S.W.; Moon, C.; et al. Magnetically actuated microrobots as a platform for stem cell transplantation. Sci. Robot. 2019, 4, eaav4317.
