Les microrobots biohybrides, qui combinent la motilité des micro-organismes naturels avec la multifonctionnalité des composants synthétiques, sont étudiés comme alternative aux microrobots purement synthétiques. Les conceptions basées sur des matériaux biocompatibles et déformables constituent de nouvelles plates-formes d'utilisation in vivo, renforçant le potentiel des microrobots pour des applications biomédicales. Dans une étude récente publiée dans Nature Materials, les chercheurs décrivent une plate-forme de microrobot bioinspirée composée d'algues modifiées par des nanoparticules pour l'administration active d'antibiotiques pour traiter les maladies pulmonaires.
Les nanoingénieurs au École d'ingénierie UC San Diego Jacobs microalgue modifiée, un organisme naturel, en recouvrant sa surface de nanoparticules de polymère (NP) chargées de médicament et recouvertes de membranes de neutrophiles (un type de globule blanc). Les chercheurs ont baptisé leur nouveau design le « robot algues-NP ».
Le travail est un effort conjoint entre les laboratoires de Joseph Wang, expert en recherche en micro- et nanorobotique, et Liangfang Zhang, dont l'expertise réside dans le développement de nanoparticules imitant les cellules pour le traitement des infections et d'autres maladies. Les chercheurs ont choisi de tester d'abord le robot algues-NP pour in vivo administration d'antibiotiques pour traiter les infections pulmonaires bactériennes.
Les chercheurs ont modifié les algues en utilisant la chimie du clic (qui a remporté le prix Nobel de chimie 2022) pour coupler la surface des algues avec des NP polymères chargés d'antibiotiques. Ensuite, ils ont administré le robot algues-NP directement dans les poumons de souris atteintes de pneumonie bactérienne, via un tube inséré dans la trachée.
Les algues fournissent un mouvement de nage dans les poumons, permettant aux microrobots de se déplacer et de délivrer des antibiotiques directement aux bactéries dans les poumons des animaux. Les robots algues-NP ont éliminé en toute sécurité les bactéries responsables de la pneumonie, toutes les souris traitées ayant survécu au-delà de 30 jours. En revanche, les souris non traitées sont mortes dans les trois jours. L'équipe a noté que le traitement avec des microrobots était plus efficace que l'injection d'antibiotiques dans la circulation sanguine.
La présence de neutrophiles à la surface du microrobot aide à neutraliser les molécules inflammatoires produites par les bactéries dans les poumons des souris, ainsi que par le système immunitaire de l'animal. Cette méthode de livraison, utilisant des microrobots d'algues vivantes, inhibe efficacement la phagocytose par les macrophages (un autre type de globules blancs) et prolonge la rétention des robots algues-NP à l'intérieur des poumons infectés. Il s'agit d'une réalisation importante puisque les macrophages aiment engloutir et digérer toutes les substances étrangères à l'intérieur du système immunitaire.
Pour mieux comprendre le mécanisme de dégagement, les chercheurs ont étudié le mouvement et le comportement de transport de la cargaison des robots algues-NP dans le liquide pulmonaire simulé. L'étude de simulation combinée avec in vivo l'administration de médicaments met en évidence le potentiel de la plate-forme à fournir en toute sécurité une efficacité thérapeutique avec des robots NP-algues chargés de médicaments.
Des microrobots à base de bactéries montrent un potentiel pour l'administration de médicaments contre le cancer
"Avec une injection IV, parfois seule une très petite fraction d'antibiotiques pénètre dans les poumons. C'est pourquoi de nombreux traitements antibiotiques actuels contre la pneumonie ne fonctionnent pas aussi bien que nécessaire, entraînant des taux de mortalité très élevés chez les patients les plus malades », explique le co-auteur. Victor Nizet.
Cette recherche est encore au stade de la preuve de concept. Les prochaines étapes consistent à comprendre les mécanismes qui sous-tendent l’interaction des microrobots avec le système immunitaire. Cependant, Zhang estime que la nouvelle conception repoussera les limites dans le domaine de l'administration ciblée de médicaments.
