Biohybride mikroroboter, som kombinerer bevegeligheten til naturlige mikroorganismer med multifunksjonaliteten til syntetiske komponenter, studeres som et alternativ til rent syntetiske mikroroboter. Design basert på biokompatible og deformerbare materialer fungerer som nye plattformer for bruk in vivo, som øker potensialet til mikroroboter for biomedisinske applikasjoner. I en fersk studie rapportert i Nature Materials, beskriver forskere en bioinspirert mikrorobotplattform bestående av nanopartikkelmodifiserte alger for aktiv levering av antibiotika for å behandle lungesykdom.
Nanoingeniører ved UC San Diego Jacobs School of Engineering modifiserte mikroalger, en naturlig organisme, ved å dekke overflaten med medikamentbelastede polymernanopartikler (NP) belagt med membranene til nøytrofiler (en type hvite blodlegemer). Forskerne kalte deres nye design "alge-NP-robot".
Arbeidet er en felles innsats mellom laboratoriene til joseph wang, en ekspert på mikro- og nanorobotikkforskning, og Liangfang Zhang, hvis ekspertise ligger i å utvikle celle-etterlignende nanopartikler for behandling av infeksjoner og andre sykdommer. Forskerne valgte først å teste alge-NP-roboten for in vivo antibiotikatilførsel for å behandle bakterielle lungeinfeksjoner.
Forskerne modifiserte algene ved å bruke klikkkjemi (som vant Nobelprisen i kjemi i 2022) for å koble algeoverflaten med antibiotikabelastede polymer-NP-er. Deretter administrerte de alge-NP-roboten direkte inn i lungene til mus med bakteriell lungebetennelse, via et rør satt inn i luftrøret.
Algene gir svømmebevegelse i lungene, slik at mikrorobotene kan bevege seg rundt og levere antibiotika direkte til bakterier i dyrenes lunger. Alge-NP-robotene eliminerte trygt bakterier som forårsaker lungebetennelse, og alle behandlede mus overlevde de siste 30 dagene. I motsetning til dette døde ubehandlede mus innen tre dager. Teamet bemerket at behandling med mikroroboter var mer effektiv enn injeksjon av antibiotika i blodet.
Tilstedeværelsen av nøytrofiler på mikrorobotoverflaten hjelper til med å nøytralisere inflammatoriske molekyler produsert av bakteriene i musenes lunger, så vel som av dyrets immunsystem. Denne leveringsmetoden, ved bruk av levende algemikroroboter, hemmer effektivt fagocytose av makrofager (en annen type hvite blodceller) og forlenger retensjonen av alger-NP-roboter inne i de infiserte lungene. Dette er en betydelig prestasjon siden makrofager liker å oppsluke og fordøye fremmede stoffer inne i immunsystemet.
For å få ytterligere innsikt i klaringsmekanismen, studerte forskerne bevegelsen og lastbærende atferden til alge-NP-robotene i simulert lungevæske. Simuleringsstudien kombinert med in vivo medikamentlevering fremhever plattformens potensial for å trygt gi terapeutisk effekt med medikamentbelastede alger-NP-roboter.
Bakteriebaserte mikroroboter viser potensial for levering av kreftmedisiner
"Med en IV-injeksjon vil noen ganger bare en svært liten brøkdel av antibiotika komme inn i lungene. Det er grunnen til at mange nåværende antibiotikabehandlinger for lungebetennelse ikke virker så godt som nødvendig, noe som fører til svært høy dødelighet hos de sykeste pasientene, sier medforfatter. Victor Nizet.
Denne forskningen er fortsatt på proof-of-concept-stadiet. Fremtidige trinn involverer å forstå mekanismene som ligger til grunn for interaksjonen mellom mikroroboter og immunsystemet. Zhang tror imidlertid at det nye designet vil flytte grensene innen målrettet medikamentlevering.
