Biohybride microrobots, die de beweeglijkheid van natuurlijke micro-organismen combineren met de multifunctionaliteit van synthetische componenten, worden bestudeerd als alternatief voor puur synthetische microrobots. Ontwerpen gebaseerd op biocompatibele en vervormbare materialen dienen als nieuwe platforms voor gebruik in vivo, waardoor het potentieel van microrobots voor biomedische toepassingen wordt vergroot. In een recente studie gerapporteerd in Natuur materialenbeschrijven onderzoekers een bio-geïnspireerd microrobotplatform bestaande uit met nanodeeltjes gemodificeerde algen voor actieve toediening van antibiotica om longaandoeningen te behandelen.
Nanoengineers aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering gemodificeerde microalgen, een natuurlijk organisme, door het oppervlak te bedekken met met medicijnen beladen polymere nanodeeltjes (NP's) bekleed met de membranen van neutrofielen (een type witte bloedcel). De onderzoekers noemden hun nieuwe ontwerp de "algae-NP-robot".
Het werk is een gezamenlijke inspanning van de laboratoria van Jozef Wang, een expert in onderzoek naar micro- en nanorobotica, en Liangfang Zhang, wiens expertise ligt in het ontwikkelen van cel-nabootsende nanodeeltjes voor de behandeling van infecties en andere ziekten. De onderzoekers kozen ervoor om eerst de algen-NP-robot te testen in vivo toediening van antibiotica om bacteriële longinfecties te behandelen.
De onderzoekers modificeerden de algen met behulp van klikchemie (die in 2022 de Nobelprijs voor scheikunde won) om het algenoppervlak te koppelen aan met antibiotica beladen polymeer-NP's. Vervolgens dienden ze de algen-NP-robot rechtstreeks in de longen van muizen met een bacteriële longontsteking toe, via een slangetje in de luchtpijp.
De algen zorgen voor een zwembeweging in de longen, waardoor de microrobots zich kunnen verplaatsen en antibiotica rechtstreeks kunnen afleveren aan bacteriën in de longen van de dieren. De algen-NP-robots elimineerden veilig longontsteking-veroorzakende bacteriën, waarbij alle behandelde muizen de afgelopen 30 dagen overleefden. Onbehandelde muizen stierven daarentegen binnen drie dagen. Het team merkte op dat behandeling met microrobots effectiever was dan injectie van antibiotica in de bloedbaan.
De aanwezigheid van neutrofielen op het oppervlak van de microrobot helpt bij het neutraliseren van ontstekingsmoleculen die worden geproduceerd door de bacteriën in de longen van de muizen, evenals door het immuunsysteem van het dier. Deze toedieningsmethode, waarbij gebruik wordt gemaakt van microrobots met levende algen, remt effectief fagocytose door macrofagen (een ander type witte bloedcellen) en verlengt de retentie van algen-NP-robots in de geïnfecteerde longen. Dit is een belangrijke prestatie, aangezien macrofagen graag alle vreemde stoffen in het immuunsysteem overspoelen en verteren.
Om meer inzicht te krijgen in het klaringsmechanisme bestudeerden de onderzoekers de beweging en het draaggedrag van de algen-NP-robots in gesimuleerd longvocht. De simulatiestudie in combinatie met in vivo medicijnafgifte benadrukt het potentieel van het platform om veilig therapeutische werkzaamheid te bieden met met medicijnen beladen algen-NP-robots.
Op bacteriën gebaseerde microrobots tonen potentieel voor de toediening van kankermedicijnen
“Bij een intraveneuze injectie komt soms maar een heel klein deel van de antibiotica in de longen terecht. Dat is de reden waarom veel huidige antibioticabehandelingen voor longontsteking niet zo goed werken als nodig is, wat leidt tot zeer hoge sterftecijfers bij de ziekste patiënten'', zegt co-auteur Victor Nizet.
Dit onderzoek bevindt zich nog in de proof-of-concept-fase. Toekomstige stappen omvatten het begrijpen van de mechanismen die ten grondslag liggen aan de interactie van microrobots met het immuunsysteem. Zhang is echter van mening dat het nieuwe ontwerp de grenzen zal verleggen op het gebied van gerichte medicijnafgifte.
