Svømmende nanorobotter behandler dødelig lungebetændelse hos mus

Nanoingeniører ved University of California San Diego har udviklet mikroskopiske robotter, kaldet mikrorobotter, der kan svømme rundt i lungerne, afgive medicin og bruges til at opklare livstruende tilfælde af bakteriel lungebetændelse.

Hos mus eliminerede mikrorobotterne sikkert lungebetændelsesfremkaldende bakterier i lungerne og resulterede i 100 % overlevelse. Derimod døde ubehandlede mus alle inden for tre dage efter infektion.

Resultaterne er offentliggjort 22. september i Nature Materials .

Mikrorobotterne er lavet af algeceller, hvis overflader er plettet med antibiotika-fyldte nanopartikler. Algerne giver bevægelse, som gør det muligt for mikrorobotterne at svømme rundt og levere antibiotika direkte til flere bakterier i lungerne. Nanopartiklerne, der indeholder antibiotika, er lavet af bittesmå biologisk nedbrydelige polymerkugler, der er belagt med cellemembranerne af neutrofiler, som er en type hvide blodlegemer. Det særlige ved disse cellemembraner er, at de absorberer og neutraliserer inflammatoriske molekyler produceret af bakterier og kroppens immunsystem. Dette giver mikrorobotterne evnen til at reducere skadelig inflammation, hvilket igen gør dem mere effektive til at bekæmpe lungeinfektion.

Arbejdet er en fælles indsats mellem laboratorierne for nanoingeniørprofessorerne Joseph Wang og Liangfang Zhang, begge ved UC San Diego Jacobs School of Engineering. Wang er verdensledende inden for forskning i mikro- og nanorobotik, mens Zhang er verdensledende inden for udvikling af celle-efterlignende nanopartikler til behandling af infektioner og sygdomme. Sammen har de været banebrydende i udviklingen af ​​bittesmå lægemiddelleverende robotter, som sikkert kan bruges i levende dyr til at behandle bakterielle infektioner i mave og blod. Behandling af bakterielle lungeinfektioner er det seneste i deres branche.

"Vores mål er at lave målrettet medicinlevering til mere udfordrende dele af kroppen, såsom lungerne. Og vi ønsker at gøre det på en måde, der er sikker, nem, biokompatibel og langtidsholdbar," sagde Zhang. "Det er det, vi har demonstreret i dette arbejde."

Holdet brugte mikrorobotterne til at behandle mus med en akut og potentielt dødelig form for lungebetændelse forårsaget af bakterien Pseudomonas aeruginosa . Denne form for lungebetændelse rammer ofte patienter, der modtager mekanisk ventilation på intensivafdelingen. Forskerne administrerede mikrorobotterne til musenes lunger gennem et rør indsat i luftrøret. Infektionerne forsvandt helt efter en uge. Alle mus behandlet med mikrorobotterne overlevede de sidste 30 dage, mens ubehandlede mus døde inden for tre dage.

Behandling med mikrorobotterne var også mere effektiv end en IV-injektion af antibiotika i blodbanen. Sidstnævnte krævede en dosis antibiotika, der var 3000 gange højere end den, der blev brugt i mikrorobotterne for at opnå samme effekt. Til sammenligning gav en dosis mikrorobotter 500 nanogram antibiotika pr. mus, mens en IV-injektion gav 1,644 milligram antibiotika pr. mus.

Holdets tilgang er så effektiv, fordi den placerer medicinen lige der, hvor den skal hen, i stedet for at sprede den gennem resten af ​​kroppen.

"Disse resultater viser, hvordan målrettet lægemiddellevering kombineret med aktiv bevægelse fra mikroalgerne forbedrer den terapeutiske effekt," sagde Wang.

"Med en IV-injektion vil nogle gange kun en meget lille del af antibiotika komme ned i lungerne. Det er derfor, mange nuværende antibiotikabehandlinger mod lungebetændelse ikke virker så godt som nødvendigt, hvilket fører til meget høje dødelighedsrater hos de sygeste patienter," sagde Victor Nizet, professor ved UC San Diego School of Medicine og Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, som er medforfatter på undersøgelsen og en læge-videnskabsmand samarbejdspartner for Wang og Zhang. "Baseret på disse musedata ser vi, at mikrorobotterne potentielt kan forbedre antibiotikapenetration for at dræbe bakterielle patogener og redde flere patienters liv."

Og hvis tanken om at putte algeceller i dine lunger får dig til at knibe, siger forskerne, at denne tilgang er sikker. Efter behandlingen fordøjer kroppens immunceller effektivt algerne sammen med eventuelle resterende nanopartikler. "Intet giftigt er efterladt," sagde Wang.

Arbejdet er stadig på proof-of-concept-stadiet. Holdet planlægger at lave mere grundlæggende forskning for at forstå præcis, hvordan mikrorobotterne interagerer med immunsystemet. Næste trin omfatter også undersøgelser for at validere mikrorobotbehandlingen og opskalere den, før den testes i større dyr og i sidste ende i mennesker.

"Vi flytter grænsen yderligere inden for målrettet medicinafgivelse," sagde Zhang.

Forskningspapiret har titlen "Nanopartikel-modificerede mikrorobotter til in vivo antibiotikalevering til behandling af akut bakteriel lungebetændelse." + Udforsk yderligere

Forvandling af hvide blodlegemer til medicinske mikrorobotter med lys