Mikroroboty biohybrydowe, które łączą ruchliwość naturalnych mikroorganizmów z wielofunkcyjnością składników syntetycznych, są badane jako alternatywa dla czysto syntetycznych mikrorobotów. Projekty oparte na materiałach biokompatybilnych i odkształcalnych służą jako nowatorskie platformy zastosowań in vivo, zwiększając potencjał mikrorobotów do zastosowań biomedycznych. W niedawnym badaniu opublikowanym w Materiały przyrodnicze, naukowcy opisują bioinspirowaną platformę mikrorobotów składającą się z alg zmodyfikowanych nanocząstkami do aktywnego dostarczania antybiotyków w leczeniu chorób płuc.
Nanoinżynierowie w Szkoła Inżynierii UC San Diego Jacobs zmodyfikowane mikroalgi, naturalny organizm, poprzez pokrycie ich powierzchni nanocząstkami polimerowymi (NP) obciążonymi lekami, pokrytymi błonami neutrofili (rodzaj białych krwinek). Naukowcy nazwali swój nowy projekt „robotem z alg-NP”.
Praca jest wspólnym wysiłkiem laboratoriów Józef Wang, ekspert w dziedzinie badań nad mikro- i nanorobotyką, oraz Liangfanga Zhanga, którego wiedza specjalistyczna polega na opracowywaniu nanocząsteczek naśladujących komórki do leczenia infekcji i innych chorób. Naukowcy postanowili najpierw przetestować robota z alg-NP in vivo dostarczanie antybiotyków w leczeniu bakteryjnych infekcji płuc.
Naukowcy zmodyfikowali glony za pomocą chemii kliknięć (który otrzymał w 2022 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii) w celu połączenia powierzchni glonów z naładowanymi antybiotykami polimerowymi NP. Następnie podali robota z alg-NP bezpośrednio do płuc myszy z bakteryjnym zapaleniem płuc, przez rurkę wprowadzoną do tchawicy.
Algi zapewniają ruch pływacki w płucach, umożliwiając mikrorobotom poruszanie się i dostarczanie antybiotyków bezpośrednio bakteriom w płucach zwierząt. Roboty z algami NP bezpiecznie eliminowały bakterie wywołujące zapalenie płuc, a wszystkie leczone myszy przeżywały ponad 30 dni. W przeciwieństwie do tego myszy nieleczone umierały w ciągu trzech dni. Zespół zauważył, że leczenie za pomocą mikrorobotów było skuteczniejsze niż wstrzykiwanie antybiotyków do krwioobiegu.
Obecność neutrofili na powierzchni mikrorobota pomaga zneutralizować cząsteczki zapalne wytwarzane przez bakterie w płucach myszy, a także przez układ odpornościowy zwierzęcia. Ta metoda dostarczania, wykorzystująca żywe mikroroboty z alg, skutecznie hamuje fagocytozę makrofagów (inny rodzaj białych krwinek) i przedłuża retencję robotów z alg-NP w zakażonych płucach. Jest to znaczące osiągnięcie, ponieważ makrofagi lubią pochłaniać i trawić wszelkie obce substancje w układzie odpornościowym.
Aby uzyskać dokładniejszy wgląd w mechanizm oczyszczania, naukowcy zbadali ruch i zachowanie robotów NP-alg w symulowanym płynie płucnym podczas przenoszenia ładunku. Badanie symulacyjne połączone z in vivo dostarczanie leków podkreśla potencjał platformy w zakresie bezpiecznego zapewniania skuteczności terapeutycznej za pomocą załadowanych lekami robotów NP-alg.
Mikroroboty oparte na bakteriach wykazują potencjał dostarczania leków przeciwnowotworowych
„Po wstrzyknięciu dożylnym czasami tylko bardzo mała część antybiotyków dostanie się do płuc. Właśnie dlatego wiele obecnie stosowanych antybiotyków w leczeniu zapalenia płuc nie działa tak dobrze, jak trzeba, co prowadzi do bardzo wysokiej śmiertelności u najciężej chorych pacjentów” – mówi współautor Wiktora Nizeta.
Badania te są wciąż na etapie weryfikacji koncepcji. Dalsze kroki obejmują zrozumienie mechanizmów leżących u podstaw interakcji mikrorobotów z układem odpornościowym. Zhang uważa jednak, że nowy projekt przesunie granice w dziedzinie ukierunkowanego dostarczania leków.
