Biohybridmikrorobotar, som kombinerar naturliga mikroorganismers rörlighet med syntetiska komponenters multifunktionalitet, studeras som ett alternativ till rent syntetiska mikrorobotar. Design baserad på biokompatibla och deformerbara material fungerar som nya plattformar för användning in vivo-, vilket ökar potentialen hos mikrorobotar för biomedicinska tillämpningar. I en nyligen genomförd studie rapporterad i Naturmaterial, beskriver forskare en bioinspirerad mikrorobotplattform som består av nanopartikelmodifierade alger för aktiv leverans av antibiotika för att behandla lungsjukdom.
Nanoingenjörer vid UC San Diego Jacobs School of Engineering modifierade mikroalger, en naturlig organism, genom att täcka dess yta med läkemedelsladdade polymernanopartiklar (NP) belagda med neutrofilers membran (en typ av vita blodkroppar). Forskarna döpte sin nya design till "alg-NP-robot".
Arbetet är ett gemensamt arbete mellan labben i joseph wang, expert på mikro- och nanorobotforskning, och Liangfang Zhang, vars expertis ligger i att utveckla cellhärmare nanopartiklar för behandling av infektioner och andra sjukdomar. Forskarna valde att först testa alg-NP-roboten för in vivo- antibiotikatillförsel för att behandla bakteriella lunginfektioner.
Forskarna modifierade algerna med hjälp av klickkemi (som vann Nobelpriset i kemi 2022) för att koppla algytan med antibiotika-laddade polymer-NP. Därefter administrerade de alg-NP-roboten direkt i lungorna på möss med bakteriell lunginflammation, via ett rör som satts in i luftstrupen.
Algerna ger simrörelse i lungorna, vilket gör att mikrorobotarna kan röra sig och leverera antibiotika direkt till bakterier i djurens lungor. Alg-NP-robotarna eliminerade säkert bakterier som orsakade lunginflammation, med alla behandlade möss som överlevde de senaste 30 dagarna. Däremot dog obehandlade möss inom tre dagar. Teamet noterade att behandling med mikrorobotar var effektivare än injektion av antibiotika i blodomloppet.
Närvaron av neutrofiler på mikrorobotytan hjälper till att neutralisera inflammatoriska molekyler som produceras av bakterierna i mössens lungor, såväl som av djurets immunsystem. Denna leveransmetod, med hjälp av levande algermikrorobotar, hämmar effektivt fagocytos av makrofager (en annan typ av vita blodkroppar) och förlänger kvarhållandet av alger-NP-robotar inuti de infekterade lungorna. Detta är en betydande prestation eftersom makrofager gillar att uppsluka och smälta främmande ämnen inuti immunsystemet.
För att få ytterligare insikt i röjningsmekanismen studerade forskarna rörelse och lastbärande beteende hos alg-NP-robotarna i simulerad lungvätska. Simuleringsstudien kombinerad med in vivo- läkemedelsleverans belyser plattformens potential att på ett säkert sätt ge terapeutisk effekt med läkemedelsladdade alger-NP-robotar.
Bakteriebaserade mikrorobotar visar potential för leverans av cancerläkemedel
"Med en IV-injektion kommer ibland bara en mycket liten del av antibiotika in i lungorna. Det är därför många nuvarande antibiotikabehandlingar för lunginflammation inte fungerar så bra som behövs, vilket leder till mycket hög dödlighet hos de sjukaste patienterna, säger medförfattaren. Victor Nizet.
Denna forskning är fortfarande på proof-of-concept-stadiet. Framtida steg involverar att förstå de mekanismer som ligger bakom interaktionen mellan mikrorobotar och immunsystemet. Zhang tror dock att den nya designen kommer att tänja på gränserna inom området riktad läkemedelsleverans.
