Come alternativa ai microrobot puramente sintetici, si stanno studiando microrobot bioibridi, che combinano la motilità dei microrganismi naturali con la multifunzionalità dei componenti sintetici. I progetti basati su materiali biocompatibili e deformabili fungono da nuove piattaforme di utilizzo in vivo, potenziando il potenziale dei microrobot per applicazioni biomediche. In un recente studio riportato in Nature Materials, i ricercatori descrivono una piattaforma di microrobot bioispirata costituita da alghe modificate con nanoparticelle per la somministrazione attiva di antibiotici per il trattamento delle malattie polmonari.
Nanoingegneri al Scuola di ingegneria Jacobs della UC San Diego microalghe modificate, un organismo naturale, ricoprendone la superficie con nanoparticelle polimeriche (NP) cariche di farmaci e rivestite con le membrane dei neutrofili (un tipo di globuli bianchi). I ricercatori hanno chiamato il loro nuovo progetto "algae-NP-robot".
Il lavoro è uno sforzo congiunto tra i laboratori di Joseph Wang, esperta nella ricerca di micro e nanorobotica, e Liangfang Zhang, la cui competenza risiede nello sviluppo di nanoparticelle che imitano le cellule per il trattamento di infezioni e altre malattie. I ricercatori hanno scelto di testare prima il robot alghe-NP per in vivo somministrazione di antibiotici per il trattamento di infezioni polmonari batteriche.
I ricercatori hanno modificato le alghe utilizzando la chimica del clic (che ha vinto il premio Nobel 2022 per la chimica) per accoppiare la superficie algale con NP polimeriche caricate con antibiotici. Successivamente, hanno somministrato l'alga-NP-robot direttamente nei polmoni dei topi con polmonite batterica, attraverso un tubo inserito nella trachea.
Le alghe forniscono movimento di nuoto nei polmoni, consentendo ai microrobot di muoversi e fornire antibiotici direttamente ai batteri nei polmoni degli animali. I robot alghe-NP-robot hanno eliminato in modo sicuro i batteri che causano la polmonite, con tutti i topi trattati che sono sopravvissuti per oltre 30 giorni. Al contrario, i topi non trattati sono morti entro tre giorni. Il team ha notato che il trattamento con microrobot era più efficace dell'iniezione di antibiotici nel flusso sanguigno.
La presenza di neutrofili sulla superficie del microrobot aiuta a neutralizzare le molecole infiammatorie prodotte dai batteri nei polmoni dei topi, oltre che dal sistema immunitario dell'animale. Questo metodo di consegna, utilizzando microrobot di alghe vive, inibisce efficacemente la fagocitosi da parte dei macrofagi (un altro tipo di globuli bianchi) e prolunga la ritenzione di alghe-NP-robot all'interno dei polmoni infetti. Questo è un risultato significativo poiché ai macrofagi piace fagocitare e digerire qualsiasi sostanza estranea all'interno del sistema immunitario.
Per ottenere ulteriori informazioni sul meccanismo di rimozione, i ricercatori hanno studiato il movimento e il comportamento di trasporto del carico dei robot alghe-NP-nel fluido polmonare simulato. Lo studio di simulazione combinato con in vivo la somministrazione di farmaci evidenzia il potenziale della piattaforma per fornire in modo sicuro l'efficacia terapeutica con alghe-NP-robot caricati di farmaci.
I microrobot basati sui batteri mostrano il potenziale per la somministrazione di farmaci antitumorali
“Con un'iniezione endovenosa, a volte solo una piccolissima frazione di antibiotici entra nei polmoni. Questo è il motivo per cui molti attuali trattamenti antibiotici per la polmonite non funzionano come necessario, portando a tassi di mortalità molto elevati nei pazienti più malati", afferma il coautore Vittorio Nizet.
Questa ricerca è ancora in fase di prova di concetto. I passi futuri implicano la comprensione dei meccanismi alla base dell’interazione dei microrobot con il sistema immunitario. Tuttavia, Zhang ritiene che il nuovo design spingerà i confini nel campo della somministrazione mirata di farmaci.
