Het is moeilijk om medicijnen naar de longen te krijgen: ademende algen biedt een nieuw pad

Onze longen zijn redelijk vatbaar voor ziekten. In tegenstelling tot de meeste andere organen, zijn de longen in direct contact met de buitenwereld. Wanneer we inademen, kunnen onze longen ook dingen op zich nemen naast de zuurstof die we nodig hebben, inclusief irriterende stoffen, verontreinigende stoffen, virussen en bacteriën die ziekten zoals longontsteking, bronchitis en kanker kunnen veroorzaken.

Gelukkig heeft ons ademhalingssysteem speciale verdedigingen tegen deze indringers. Helaas kunnen diezelfde verdedigingen de longen direct behandelen, wanneer ze ziek worden van die ziekten, lastig.

Overweeg eerst wat een schadelijke stof, zoals een bacterie, moet doen voordat het zelfs onze longen kan bereiken. Het moet voorbij de kleine haren in onze neus komen die helpen bij het filteren van grotere items zoals stof en stuifmeel. Dan moet het ontsnappen aan het slijm in onze windpipes die deeltjes vangen, die vervolgens worden weggevaagd door kleine haren die cilia worden genoemd.

Als de bacterie de handschoen uitvoert en de longen bereikt, wordt deze geconfronteerd met de frontlinie van het immuunsysteem: de macrofagen. Deze gespecialiseerde cellen zijn op zoek naar onbekende stoffen, die ze zullen overspoelen en vernietigen.

Dus als we iets in de longen willen krijgen, zoals medicijnen om een ​​ziekte zoals bacteriële pneumonie te behandelen, moet het klein genoeg zijn om daadwerkelijk de longen te bereiken en stiekem genoeg om niet te worden gedetecteerd en gegeten. Het is alsof je in een zwaar gedeeld kluis inbreken.

Daarom zijn veel huidige longbehandelingen eigenlijk indirect. Artsen kunnen het medicijn, zoals antibiotica om longontsteking te behandelen injecteren, in de bloedbaan in de hoop dat een deel ervan de geïnfecteerde longen zal bereiken. Omdat het echter niet direct is, krijgt de patiënt meer van de medicijnen geïnjecteerd dan wat daadwerkelijk nodig is voor de behandeling. Die hogere doses kunnen bijwerkingen hebben op andere delen van het lichaam. Het nemen van meer antibiotica om longontsteking te behandelen kan bijvoorbeeld maagpijn en diarree veroorzaken.

Maar onlangs hebben UC San Diego Chemical en Nano Engineering -onderzoekers de code gekraakt om direct in de kluis te komen. Ze ontwierpen kleine drugs-afleveringsvoertuigen die alle verdedigingen kunnen ontwijken en diep in de longen kunnen duiken.

Dit soort doorbraak-dat op een dag een game-veranderende medische behandeling zou kunnen zijn-is allemaal dankzij de federale financiering waarmee onderzoekers voorbij sciencefiction en in de kluis kunnen duwen.

Kleine robots te hulp

Microrobots zijn kleine robots, meestal minder dan 1 millimeter groot en vaak veel kleiner. Als we aan robots denken, denken we misschien aan een metalen machine in een productielijn die een aantal repetitieve taken uitvoert die te uitdagend, gevaarlijk of saai zijn voor ons mensen om te doen. Evenzo zijn microrobots – die in dit onderzoek biologisch afbreekbaar zijn en niet metaalachtig – ontworpen om taken uit te voeren in kleine ruimtes die mensen niet gemakkelijk of veilig kunnen bereiken.

In dit geval zijn onderzoekers- door Joseph Wang, professor in de AIISO YUFENG LI Family Department of Chemical and Nano Engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering en World Leader op het gebied van micro- en nanorobotica-onderzoek- ontwerpen microrobots om naar de longen te reizen en geneeskunde te leveren die direct zijn.

De eerste uitdaging was om erachter te komen waar ze de microrobots uit moest maken. Ze moesten zich kunnen verplaatsen, en ze mogen niet van metaal worden gemaakt, want dat is teveel irriterend voor de longen. Dus om deze redenen wendden de onderzoekers zich tot groene algen.

Groene algen zijn plantachtige organismen die meestal in water leven. Ze zijn vergelijkbaar met planten omdat ze hun eigen voedsel maken door fotosynthese en dus zuurstof produceren. Ze hebben echter niet de wortels of bladeren die planten hebben.

Sommige soorten groene algen zijn microscopisch en eencellig, en sommige daarvan kunnen zich door het water voortstuwen. Ze zwemmen niet zoals vis, maar dankzij hun zweepachtige structuren genaamd Flagella hebben ze een beperkte beweging. Het is voldoende beweging dat ze kunnen wegglippen van overspoeld door de macrofagen.

Bovendien missen groene algen een bepaald type structuur op hun oppervlakken die meestal worden gevonden op bacteriën en blauwgroene algenoppervlakken. Die structuren veroorzaken een immuunrespons, dus zonder hen is groene algen veiliger voor biomedisch gebruik.

Op deze groene algen kunnen onderzoekers de precieze benodigde medicijnen laden, zoals antibiotica om bacteriële pneumonie te behandelen. Op deze manier kunnen de onderzoekers de microrobots gebruiken om de bezorgers te zijn van de specifieke medicijnen die nodig zijn om de longziekte te behandelen. Dus spikkelen ze elke microrobot met tientallen minuscule pakketten die de medicijnen bevatten.

Direct onder de neuzen van de bewakers

Nu de onderzoekers hebben ontdekt dat algen de microrobotische voertuigen zouden zijn om hun gewenste longmedicijnen te dragen, stonden ze voor een andere uitdaging: hoe de microrobots in de longen te krijgen.

In hun nieuwste studie, gepubliceerd in Natuurcommunicatiede onderzoekers ontdekten dat als ze een klein genoeg algensoorten koos, ze de microrobots in aerosolen konden stoppen. De gekozen algen zijn zo klein dat ten minste 50 van hen vooraan in lijnen naar achteren langs de breedte van een enkel menselijk haar.

De aerosolen zijn in deze studie kleine vloeibare deeltjes die in de lucht drijven. Wanneer ze de ideale grootte worden gemaakt, kunnen ze gemakkelijk worden opgenomen door normale ademhaling door de neus of mond. Bij die grootte kunnen ze de verdediging van de neus en windpijp ontwijken en de longen bereiken.

Vervolgens komen de microrobots de indringer-detecterende macrofagen tegen. Terwijl het onderzoeksteam algen koos die snel genoeg kunnen zijn om weg te “zwemmen” van de macrofagen, bewapenden ze ze ook met een hulpmiddel om onder de radar te passeren: het werkt in feite als een onzichtbaarheidsmantel.

Weet je nog hoe de microrobots kleine pakjes medicijnen op hun oppervlak hebben? Alleen al die “onbekende stoffen” kunnen de alarmen van de macrofagen veroorzaken en dus worden vernietigd voordat alle delen van de longen worden bereikt. Om dat te voorkomen, gaven de onderzoekers de pakketten een coating – het membraan van een cel die normaal in het lichaam wordt gevonden, als een bloedplaatjes.

Het is een strategie ontwikkeld door Liangfang Zhang, professor aan de Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering and co-lead van dit onderzoeksproject.

Op die manier, wanneer de macrofagen in contact komen met de microrobot en zijn pakketten van geneeskunde, zullen ze het bepalen om bekend te zijn en het te laten passeren. Het is alsof de microrobot undercover ging.

En omdat ze niet onmiddellijk worden gedetecteerd en vernietigd, hebben de microrobots de vrijheid om gelijkmatig over de longen te verspreiden, waardoor hun lading drugs wordt geleverd. Uiteindelijk, na verloop van tijd, zullen de microrobots worden opgeruimd door het immuunsysteem, maar niet voordat hun taak is voltooid. Omdat ze op een langdurig schema actief blijven in de longen, geven de microrobots de kleine pakketten die ze voldoende tijd dragen om hun taak te voltooien: het vrijgeven van de medicijnen.

Science fiction niet meer

Tot nu toe zijn dit soort microrobots om longziekten te behandelen alleen geprobeerd bij muizen. En de resultaten zijn veelbelovend geweest; In de laatste studie over longontsteking bij muizen overleefden bijvoorbeeld alle muizen die met de microrobots werden behandeld, terwijl alle muizen die met traditionele methoden werden behandeld of helemaal niet binnen drie dagen stierven.

Met dat soort succes zijn nu menselijke klinische onderzoeken met behulp van microrobots met een onzichtbaarheidsmantelontwerp vergelijkbaar met deze te voorzien, en meer studies zullen waarschijnlijk volgen. Vraag het maar aan de onderzoekers.

“Naarmate fundamenteel onderzoek naar microrobotica verder gaat, verwacht ik dat deze technologieën geleidelijk zullen overgaan op klinische testen voor een reeks biomedische toepassingen, met name voor de gelokaliseerde en actieve levering van geneeskunde,” zei Zhang.

Hoewel het idee om kleine robots in te ademen om onze longen te behandelen, in het verleden of zelfs rechtstreeks uit een cartoon vergezocht is geklonken, is de realiteit dat jaren van onderzoek het mogelijk maakt. Net als in films waar de personages proberen een grote overval uit een goed bewaakte kluis te halen, is er veel basisplanning en experimenteren.

Maar het harde werk loont. In de toekomst kunnen deze microrobots aan mensen worden voorgeschreven. Een belangrijk voordeel is dat ze effectiever kunnen zijn in de behandeling van de ziekte omdat ze een paar dagen in de longen kunnen duren en daarom het medicijn gelijkmatig overal kunnen leveren. Bovendien is de algehele dosering lager omdat het medicijn rechtstreeks naar de longen gaat in plaats van door andere delen van het lichaam. Dat vermindert bijwerkingen van de medicijnen.

Het laat alleen maar zien dat dankzij onderzoek, dingen die alleen science fiction leken, zoals mobiele telefoons, kunstmatige intelligentie en microrobots op recept, werkelijkheid kunnen worden.