Nanoinżynierowie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego opracowali mikroskopijne roboty, zwane mikrorobotami, które potrafią pływać w płucach, dostarczać leki i być wykorzystywane do leczenia zagrażających życiu przypadków bakteryjnego zapalenia płuc.
U myszy mikroroboty bezpiecznie eliminowały bakterie powodujące zapalenie płuc w płucach i zapewniały 100% przeżywalność. W przeciwieństwie do tego wszystkie myszy nieleczone zmarły w ciągu trzech dni po zakażeniu.
Wyniki opublikowano 22 września w Nature Materials.
Mikroroboty zbudowane są z komórek alg, których powierzchnie są nakrapiane nanocząsteczkami wypełnionymi antybiotykami. Glony zapewniają ruch, który umożliwia mikrorobotom pływanie i dostarczanie antybiotyków bezpośrednio większej liczbie bakterii w płucach. Nanocząstki zawierające antybiotyki są zbudowane z maleńkich biodegradowalnych kulek polimerowych, które są pokryte błonami komórkowymi neutrofili, które są rodzajem białych krwinek. Cechą szczególną tych błon komórkowych jest to, że absorbują i neutralizują cząsteczki zapalne wytwarzane przez bakterie i układ odpornościowy organizmu. Dzięki temu mikroroboty mogą redukować szkodliwe stany zapalne, co z kolei sprawia, że są bardziej skuteczne w zwalczaniu infekcji płuc.
Praca jest wspólnym wysiłkiem laboratoriów profesorów nanoinżynierii Josepha Wanga i Liangfanga Zhanga z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego Jacobs. Wang jest światowym liderem w dziedzinie badań mikro- i nanorobotyki, podczas gdy Zhang jest światowym liderem w opracowywaniu nanocząstek naśladujących komórki do leczenia infekcji i chorób. Razem są pionierami w opracowaniu maleńkich robotów dostarczających leki, które można bezpiecznie stosować u żywych zwierząt do leczenia infekcji bakteryjnych w żołądku i krwi. Leczenie bakteryjnych infekcji płuc to nowość w ich pracy.
„Naszym celem jest celowane dostarczanie leków do bardziej wymagających części ciała, takich jak płuca. Chcemy to robić w sposób bezpieczny, łatwy, biokompatybilny i długotrwały” – powiedział Zhang. „To właśnie zademonstrowaliśmy w tej pracy”.
Zespół wykorzystał mikroroboty do leczenia myszy z ostrą i potencjalnie śmiertelną postacią zapalenia płuc wywołanego przez bakterię Pseudomonas aeruginosa. Ta forma zapalenia płuc często dotyka pacjentów poddawanych wentylacji mechanicznej na oddziale intensywnej terapii. Naukowcy wprowadzili mikroroboty do płuc myszy przez rurkę umieszczoną w tchawicy. Infekcje całkowicie ustąpiły po tygodniu. Wszystkie myszy traktowane mikrorobotami przeżyły ponad 30 dni, podczas gdy myszy nieleczone zmarły w ciągu trzech dni.
Leczenie mikrorobotami było również skuteczniejsze niż dożylne wstrzyknięcie antybiotyków do krwiobiegu. Ten ostatni wymagał dawki antybiotyków 3000 razy większej niż ta stosowana w mikrorobotach, aby osiągnąć ten sam efekt. Dla porównania, dawka mikrorobotów dostarczyła 500 nanogramów antybiotyków na mysz, podczas gdy wstrzyknięcie dożylne dostarczyło 1,644 miligramów antybiotyków na mysz.
Podejście zespołu jest tak skuteczne, ponieważ umieszcza lek dokładnie tam, gdzie powinien, zamiast rozprowadzać go przez resztę ciała.
„Wyniki te pokazują, w jaki sposób ukierunkowane dostarczanie leków w połączeniu z aktywnym ruchem mikroalg poprawia skuteczność terapeutyczną” – powiedział Wang.
„Przy wstrzyknięciu dożylnym czasami tylko bardzo niewielka część antybiotyków dostanie się do płuc. Dlatego wiele obecnych antybiotyków w leczeniu zapalenia płuc nie działa tak dobrze, jak jest to konieczne, co prowadzi do bardzo wysokiej śmiertelności u najbardziej chorych pacjentów” – powiedział. Victor Nizet, profesor w UC San Diego School of Medicine oraz Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, który jest współautorem badania i współpracownikiem naukowym Wanga i Zhanga. „Na podstawie tych danych z myszy widzimy, że mikroroboty mogą potencjalnie poprawić penetrację antybiotyków, zabijając patogeny bakteryjne i ratując życie większej liczbie pacjentów”.
A jeśli myśl o umieszczeniu komórek glonów w płucach przyprawia cię o dreszcze, naukowcy twierdzą, że takie podejście jest bezpieczne. Po zabiegu komórki odpornościowe organizmu wydajnie trawią glony wraz z pozostałymi nanocząsteczkami. „Nic toksycznego nie pozostało”, powiedział Wang.
Praca jest wciąż na etapie weryfikacji koncepcji. Zespół planuje przeprowadzić bardziej podstawowe badania, aby dokładnie zrozumieć, w jaki sposób mikroroboty oddziałują z układem odpornościowym. Kolejne kroki obejmują również badania mające na celu walidację leczenia mikrorobotem i zwiększenie jego skali przed przetestowaniem na większych zwierzętach i ostatecznie na ludziach.
„Przesuwamy granice dalej w dziedzinie ukierunkowanego dostarczania leków” – powiedział Zhang.
Praca ta jest wspierana przez Narodowe Instytuty Zdrowia (R01CA200574).
Źródło historii:
Materiały dostarczone przez Uniwersytet Kalifornijski – San Diego. Oryginał napisany przez Liezel Labios. Uwaga: Treść można edytować pod kątem stylu i długości.