Biohybride mikrorobotter, der kombinerer naturlige mikroorganismers motilitet med syntetiske komponenters multifunktionalitet, bliver undersøgt som et alternativ til rent syntetiske mikrorobotter. Design baseret på biokompatible og deformerbare materialer fungerer som nye platforme til brug in vivo, hvilket øger potentialet for mikrorobotter til biomedicinske applikationer. I en nylig undersøgelse rapporteret i Nature Materials, beskriver forskere en bioinspireret mikrorobotplatform bestående af nanopartikelmodificerede alger til aktiv levering af antibiotika til behandling af lungesygdomme.
Nanoingeniører ved UC San Diego Jacobs School of Engineering modificerede mikroalger, en naturlig organisme, ved at dække dens overflade med lægemiddelfyldte polymernanopartikler (NP'er) belagt med membranerne af neutrofiler (en type hvide blodlegemer). Forskerne kaldte deres nye design for "alge-NP-robot".
Arbejdet er en fælles indsats mellem laboratorierne i joseph wang, ekspert i mikro- og nanorobotforskning, og Liangfang Zhang, hvis ekspertise ligger i at udvikle celle-efterlignende nanopartikler til behandling af infektioner og andre sygdomme. Forskerne valgte først at teste alge-NP-robotten for in vivo antibiotikatilførsel til behandling af bakterielle lungeinfektioner.
Forskerne modificerede algerne ved at bruge klikkemi (som vandt Nobelprisen i kemi i 2022) for at koble algeoverfladen med antibiotika-fyldte polymer NP'er. Dernæst administrerede de alge-NP-robotten direkte i lungerne på mus med bakteriel lungebetændelse via et rør indsat i luftrøret.
Algerne giver svømmebevægelse i lungerne, så mikrorobotterne kan bevæge sig rundt og levere antibiotika direkte til bakterier i dyrenes lunger. Alge-NP-robotterne eliminerede sikkert bakterier, der forårsagede lungebetændelse, og alle behandlede mus overlevede de sidste 30 dage. I modsætning hertil døde ubehandlede mus inden for tre dage. Holdet bemærkede, at behandling med mikrorobotter var mere effektiv end injektion af antibiotika i blodbanen.
Tilstedeværelsen af neutrofiler på mikrorobotoverfladen hjælper med at neutralisere inflammatoriske molekyler produceret af bakterierne i musenes lunger samt af dyrets immunsystem. Denne leveringsmetode, ved hjælp af levende algemikrorobotter, hæmmer effektivt fagocytose af makrofager (en anden type hvide blodlegemer) og forlænger tilbageholdelsen af alger-NP-robotter inde i de inficerede lunger. Dette er en betydelig præstation, da makrofager kan lide at opsluge og fordøje fremmede stoffer inde i immunsystemet.
For at få yderligere indsigt i clearance-mekanismen undersøgte forskerne alge-NP-robotternes bevægelse og lastbærende adfærd i simuleret lungevæske. Simuleringsstudiet kombineret med in vivo lægemiddellevering fremhæver platformens potentiale til sikkert at give terapeutisk effekt med lægemiddelfyldte alge-NP-robotter.
Bakteriebaserede mikrorobotter viser potentiale for kræfttilførsel
"Med en IV-injektion vil nogle gange kun en meget lille del af antibiotika komme ind i lungerne. Det er grunden til, at mange nuværende antibiotikabehandlinger mod lungebetændelse ikke virker så godt som nødvendigt, hvilket fører til meget høje dødelighedsrater hos de sygeste patienter,'' siger medforfatter. Victor Nizet.
Denne forskning er stadig på proof-of-concept-stadiet. Fremtidige trin involverer forståelse af de mekanismer, der ligger til grund for interaktionen mellem mikrorobotter og immunsystemet. Zhang mener dog, at det nye design vil skubbe grænserne inden for målrettet medicinafgivelse.
