Färgad SEM-bild av en mikrorobot som bekämpar lunginflammation gjord av en algcell (grön) täckt med biologiskt nedbrytbara polymernanopartiklar (bruna). Nanopartiklarna innehåller antibiotika och är belagda med neutrofila cellmembran. Kredit:Fangyu Zhang och Zhengxing Li
Nanoingenjörer vid University of California San Diego har utvecklat mikroskopiska robotar, så kallade mikrorobotar, som kan simma runt i lungorna, leverera medicin och användas för att åtgärda livshotande fall av bakteriell lunginflammation.
Hos möss eliminerade mikrorobotarna säkert lunginflammationsframkallande bakterier i lungorna och resulterade i 100 % överlevnad. Däremot dog alla obehandlade möss inom tre dagar efter infektion.
Resultaten publiceras 22 september i Nature Materials .
Mikrorobotarna är gjorda av algceller vars ytor är spräckliga med antibiotikafyllda nanopartiklar. Algerna ger rörelse, vilket gör att mikrorobotarna kan simma runt och leverera antibiotika direkt till fler bakterier i lungorna. Nanopartiklarna som innehåller antibiotika är gjorda av små biologiskt nedbrytbara polymersfärer som är belagda med cellmembranen av neutrofiler, som är en typ av vita blodkroppar. Det speciella med dessa cellmembran är att de absorberar och neutraliserar inflammatoriska molekyler som produceras av bakterier och kroppens immunförsvar. Detta ger mikrorobotarna förmågan att minska skadlig inflammation, vilket i sin tur gör dem mer effektiva för att bekämpa lunginfektioner.
Arbetet är en gemensam ansträngning mellan labben för nanoteknikprofessorerna Joseph Wang och Liangfang Zhang, båda vid UC San Diego Jacobs School of Engineering. Wang är världsledande inom mikro- och nanorobotforskning, medan Zhang är världsledande inom utveckling av cellhärmare nanopartiklar för behandling av infektioner och sjukdomar. Tillsammans har de banat väg för utvecklingen av små läkemedelslevererande robotar som säkert kan användas i levande djur för att behandla bakterieinfektioner i mage och blod. Att behandla bakteriella lunginfektioner är det senaste inom deras bransch.
"Vårt mål är att göra riktad läkemedelstillförsel till mer utmanande delar av kroppen, som lungorna. Och vi vill göra det på ett sätt som är säkert, enkelt, biokompatibelt och långvarigt", säger Zhang. "Det är vad vi har visat i det här arbetet."
Teamet använde mikrorobotarna för att behandla möss med en akut och potentiellt dödlig form av lunginflammation orsakad av bakterien Pseudomonas aeruginosa . Denna form av lunginflammation drabbar vanligtvis patienter som får mekanisk ventilation på intensivvårdsavdelningen. Forskarna administrerade mikrorobotarna till mössens lungor genom ett rör som sattes in i luftröret. Infektionerna försvann helt efter en vecka. Alla möss som behandlats med mikrorobotarna överlevde de senaste 30 dagarna, medan obehandlade möss dog inom tre dagar.
Behandling med mikrorobotarna var också effektivare än en IV-injektion av antibiotika i blodomloppet. Den senare krävde en dos antibiotika som var 3000 gånger högre än den som användes i mikrorobotarna för att uppnå samma effekt. Som jämförelse gav en dos av mikrorobotar 500 nanogram antibiotika per mus, medan en IV-injektion gav 1,644 milligram antibiotika per mus.
Teamets tillvägagångssätt är så effektivt eftersom det placerar medicinen precis där den behöver gå istället för att sprida den genom resten av kroppen.
"Dessa resultat visar hur riktad läkemedelstillförsel i kombination med aktiv rörelse från mikroalgerna förbättrar den terapeutiska effekten", säger Wang.
"Med en IV-injektion kommer ibland bara en mycket liten del av antibiotika att komma in i lungorna. Det är därför många nuvarande antibiotikabehandlingar för lunginflammation inte fungerar så bra som behövs, vilket leder till mycket hög dödlighet hos de sjukaste patienterna", säger Victor Nizet, professor vid UC San Diego School of Medicine och Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, som är medförfattare till studien och en läkare-vetenskapsman som samarbetar med Wang och Zhang. "Baserat på dessa musdata ser vi att mikrorobotarna potentiellt kan förbättra antibiotikapenetrationen för att döda bakteriella patogener och rädda fler patienters liv."
Och om tanken på att sätta algceller i dina lungor gör dig blödig, säger forskarna att detta tillvägagångssätt är säkert. Efter behandlingen smälter kroppens immunceller effektivt algerna, tillsammans med eventuella kvarvarande nanopartiklar. "Inget giftigt lämnas kvar", sa Wang.
Arbetet är fortfarande på proof-of-concept-stadiet. Teamet planerar att göra mer grundläggande forskning för att förstå exakt hur mikrorobotarna interagerar med immunsystemet. Nästa steg inkluderar också studier för att validera mikrorobotbehandlingen och skala upp den innan den testas på större djur och så småningom på människor.
"Vi tänjer på gränsen ytterligare när det gäller riktad läkemedelstillförsel", sa Zhang.
Forskningsuppsatsen har titeln "Nanopartikelmodifierade mikrorobotar för in vivo antibiotikatillförsel för att behandla akut bakteriell lunginflammation." + Utforska vidare
