Als Alternative zu rein synthetischen Mikrorobotern werden biohybride Mikroroboter untersucht, die die Beweglichkeit natürlicher Mikroorganismen mit der Multifunktionalität synthetischer Komponenten kombinieren. Als neuartige Anwendungsplattformen dienen Designs auf Basis biokompatibler und verformbarer Materialien in vivo, wodurch das Potenzial von Mikrorobotern für biomedizinische Anwendungen verbessert wird. In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Nature Materialsbeschreiben Forscher eine bioinspirierte Mikroroboterplattform, die aus Nanopartikel-modifizierten Algen für die aktive Abgabe von Antibiotika zur Behandlung von Lungenerkrankungen besteht.
Nanoingenieure bei der UC San Diego Jacobs School of Engineering modifizierte Mikroalgen, einen natürlichen Organismus, indem es seine Oberfläche mit wirkstoffbeladenen Polymer-Nanopartikeln (NPs) bedeckt, die mit den Membranen von Neutrophilen (einer Art weißer Blutkörperchen) beschichtet sind. Die Forscher nannten ihr neues Design „Algen-NP-Roboter“.
Die Arbeit ist eine gemeinsame Anstrengung zwischen den Labors von Joseph Wang, ein Experte für Mikro- und Nanorobotikforschung, und Liangfang Zhang, dessen Expertise in der Entwicklung von zellnachahmenden Nanopartikeln zur Behandlung von Infektionen und anderen Krankheiten liegt. Die Forscher entschieden sich, zunächst den Algen-NP-Roboter zu testen in vivo Antibiotikaabgabe zur Behandlung bakterieller Lungeninfektionen.
Die Forscher modifizierten die Algen mithilfe von Klick-Chemie (der 2022 den Nobelpreis für Chemie erhielt), um die Algenoberfläche mit Antibiotika-beladenen Polymer-NPs zu koppeln. Als nächstes verabreichten sie den Algen-NP-Roboter über einen in die Luftröhre eingeführten Schlauch direkt in die Lungen von Mäusen mit bakterieller Lungenentzündung.
Die Algen sorgen für eine Schwimmbewegung in der Lunge, sodass sich die Mikroroboter bewegen und Antibiotika direkt an die Bakterien in der Lunge der Tiere abgeben können. Die Algen-NP-Roboter eliminierten sicher Lungenentzündung verursachende Bakterien, wobei alle behandelten Mäuse die letzten 30 Tage überlebten. Im Gegensatz dazu starben unbehandelte Mäuse innerhalb von drei Tagen. Das Team stellte fest, dass die Behandlung mit Mikrorobotern wirksamer war als die Injektion von Antibiotika in den Blutkreislauf.
Das Vorhandensein von Neutrophilen auf der Oberfläche des Mikroroboters trägt dazu bei, Entzündungsmoleküle zu neutralisieren, die von den Bakterien in der Lunge der Mäuse sowie vom Immunsystem des Tieres produziert werden. Diese Verabreichungsmethode, bei der lebende Algen-Mikroroboter verwendet werden, hemmt wirksam die Phagozytose durch Makrophagen (eine andere Art von weißen Blutkörperchen) und verlängert die Verweildauer von Algen-NP-Robotern in der infizierten Lunge. Dies ist eine bedeutende Leistung, da Makrophagen gerne alle Fremdstoffe im Immunsystem verschlingen und verdauen.
Um weitere Einblicke in den Clearance-Mechanismus zu erhalten, untersuchten die Forscher das Bewegungs- und Frachttrageverhalten der Algen-NP-Roboter in simulierter Lungenflüssigkeit. Die Simulationsstudie kombiniert mit in vivo Drug Delivery unterstreicht das Potenzial der Plattform, mit arzneimittelbeladenen Algen-NP-Robotern sicher therapeutische Wirksamkeit zu erzielen.
Bakterienbasierte Mikroroboter zeigen Potenzial für die Verabreichung von Krebsmedikamenten
„Bei einer IV-Injektion gelangt manchmal nur ein sehr kleiner Teil der Antibiotika in die Lunge. Aus diesem Grund wirken viele derzeitige Antibiotikabehandlungen bei Lungenentzündung nicht so gut wie nötig, was zu sehr hohen Sterblichkeitsraten bei den kranksten Patienten führt'', sagt Co-Autor Victor Niet.
Diese Forschung befindet sich noch im Proof-of-Concept-Stadium. Zukünftige Schritte umfassen das Verständnis der Mechanismen, die der Interaktion von Mikrorobotern mit dem Immunsystem zugrunde liegen. Allerdings glaubt Zhang, dass das neue Design die Grenzen im Bereich der gezielten Arzneimittelabgabe verschieben wird.
