Se están estudiando microrobots biohíbridos, que combinan la motilidad de los microorganismos naturales con la multifuncionalidad de componentes sintéticos, como alternativa a los microrobots puramente sintéticos. Los diseños basados en materiales biocompatibles y deformables sirven como novedosas plataformas de uso in vivo, mejorando el potencial de los microrobots para aplicaciones biomédicas. En un estudio reciente publicado en Nature Materials, los investigadores describen una plataforma de microrobot bioinspirada que consta de algas modificadas con nanopartículas para la administración activa de antibióticos para tratar enfermedades pulmonares.
Nanoingenieros en la Escuela de Ingeniería UC San Diego Jacobs microalgas modificadas, un organismo natural, cubriendo su superficie con nanopartículas poliméricas (NP) cargadas de fármacos recubiertas con membranas de neutrófilos (un tipo de glóbulo blanco). Los investigadores llamaron a su nuevo diseño "algae-NP-robot".
El trabajo es un esfuerzo conjunto entre los laboratorios de Joseph Wang, experto en investigación en micro y nanorobótica, y Liangfang Zhang, cuya experiencia radica en el desarrollo de nanopartículas que imitan células para el tratamiento de infecciones y otras enfermedades. Los investigadores optaron por probar primero el robot de algas-NP para in vivo administración de antibióticos para tratar infecciones pulmonares bacterianas.
Los investigadores modificaron las algas usando la química del clic (que ganó el Premio Nobel de Química 2022) para acoplar la superficie de las algas con polímeros poliméricos cargados de antibióticos. A continuación, administraron el robot de algas-NP directamente en los pulmones de ratones con neumonía bacteriana, a través de un tubo insertado en la tráquea.
Las algas proporcionan un movimiento de natación en los pulmones, lo que permite que los microrobots se muevan y entreguen antibióticos directamente a las bacterias en los pulmones de los animales. Los robots de algas-NP eliminaron de forma segura las bacterias que causan neumonía, y todos los ratones tratados sobrevivieron más de 30 días. Por el contrario, los ratones no tratados murieron dentro de los tres días. El equipo notó que el tratamiento con microrobots fue más efectivo que la inyección de antibióticos en el torrente sanguíneo.
La presencia de neutrófilos en la superficie del microrobot ayuda a neutralizar las moléculas inflamatorias producidas por la bacteria en los pulmones de los ratones, así como por el sistema inmunitario del animal. Este método de administración, que utiliza microrobots de algas vivas, inhibe eficazmente la fagocitosis de los macrófagos (otro tipo de glóbulo blanco) y prolonga la retención de los robots de algas-NP dentro de los pulmones infectados. Este es un logro significativo ya que a los macrófagos les gusta engullir y digerir cualquier sustancia extraña dentro del sistema inmunológico.
Para obtener más información sobre el mecanismo de limpieza, los investigadores estudiaron el movimiento y el comportamiento de transporte de carga de los robots de algas-NP en líquido pulmonar simulado. El estudio de simulación combinado con in vivo la entrega de fármacos destaca el potencial de la plataforma para proporcionar de forma segura eficacia terapéutica con robots de algas-NP cargados con fármacos.
Los microrobots basados en bacterias muestran potencial para la administración de medicamentos contra el cáncer
“Con una inyección intravenosa, a veces solo una fracción muy pequeña de antibióticos llega a los pulmones. Es por eso que muchos tratamientos antibióticos actuales para la neumonía no funcionan tan bien como se necesita, lo que lleva a tasas de mortalidad muy altas en los pacientes más enfermos", dice el coautor. Víctor Nizet.
Esta investigación aún se encuentra en la etapa de prueba de concepto. Los pasos futuros implican comprender los mecanismos subyacentes a la interacción de los microrobots con el sistema inmunológico. Sin embargo, Zhang cree que el nuevo diseño ampliará los límites en el campo de la administración dirigida de fármacos.
