Zwemmende nanorobots behandelen dodelijke longontsteking bij muizen

Nano-ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben microscopisch kleine robots ontwikkeld, microrobots genaamd, die in de longen kunnen zwemmen, medicijnen kunnen toedienen en kunnen worden gebruikt om levensbedreigende gevallen van bacteriële longontsteking op te ruimen.

Bij muizen elimineerden de microrobots veilig longontsteking-veroorzakende bacteriën in de longen en resulteerden in 100% overleving. Daarentegen stierven onbehandelde muizen allemaal binnen drie dagen na infectie.

De resultaten worden op 22 september gepubliceerd in Natuurmaterialen.

De microrobots zijn gemaakt van algencellen waarvan het oppervlak bespikkeld is met met antibiotica gevulde nanodeeltjes. De algen zorgen voor beweging, waardoor de microrobots rond kunnen zwemmen en antibiotica rechtstreeks afleveren aan meer bacteriën in de longen. De nanodeeltjes die de antibiotica bevatten, zijn gemaakt van kleine biologisch afbreekbare polymeerbolletjes die zijn bedekt met de celmembranen van neutrofielen, een soort witte bloedcel. Het bijzondere aan deze celmembranen is dat ze ontstekingsmoleculen die door bacteriën en het immuunsysteem van het lichaam worden geproduceerd, absorberen en neutraliseren. Dit geeft de microrobots het vermogen om schadelijke ontstekingen te verminderen, waardoor ze effectiever zijn in het bestrijden van longinfecties.

Het werk is een gezamenlijke inspanning van de laboratoria van professoren nanoengineering Joseph Wang en Liangfang Zhang, beide aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering. Wang is een wereldleider op het gebied van micro- en nanorobotica-onderzoek, terwijl Zhang een wereldleider is in het ontwikkelen van cel-nabootsende nanodeeltjes voor de behandeling van infecties en ziekten. Samen hebben ze een pioniersrol vervuld bij de ontwikkeling van kleine medicijnafgifterobots die veilig kunnen worden gebruikt bij levende dieren om bacteriële infecties in de maag en het bloed te behandelen. Het behandelen van bacteriële longinfecties is het nieuwste in hun werk.

“Ons doel is om gerichte medicijnafgifte te doen in meer uitdagende delen van het lichaam, zoals de longen. En we willen het doen op een manier die veilig, gemakkelijk, biocompatibel en langdurig is”, zei Zhang. “Dat is wat we in dit werk hebben aangetoond.”

Het team gebruikte de microrobots om muizen te behandelen met een acute en mogelijk dodelijke vorm van longontsteking veroorzaakt door de bacteriën Pseudomonas aeruginosa. Deze vorm van longontsteking treft vaak patiënten die mechanische beademing krijgen op de intensive care. De onderzoekers dienden de microrobots via een buisje in de luchtpijp toe aan de longen van de muizen. De infecties waren na een week volledig verdwenen. Alle muizen die met de microrobots werden behandeld, overleefden de afgelopen 30 dagen, terwijl onbehandelde muizen binnen drie dagen stierven.

Behandeling met de microrobots was ook effectiever dan een IV-injectie van antibiotica in de bloedbaan. Voor dat laatste was een dosis antibiotica nodig die 3000 keer hoger was dan die in de microrobots om hetzelfde effect te bereiken. Ter vergelijking: een dosis microrobots leverde 500 nanogram antibiotica per muis, terwijl een IV-injectie 1.644 milligram antibiotica per muis opleverde.

De aanpak van het team is zo effectief omdat het de medicatie precies daar brengt waar het heen moet in plaats van het door de rest van het lichaam te verspreiden.

“Deze resultaten laten zien hoe gerichte medicijnafgifte in combinatie met actieve beweging van de microalgen de therapeutische werkzaamheid verbetert,” zei Wang.

“Met een IV-injectie komt soms slechts een zeer kleine fractie antibiotica in de longen. Daarom werken veel huidige antibioticabehandelingen voor longontsteking niet zo goed als nodig is, wat leidt tot zeer hoge sterftecijfers bij de ziekste patiënten,” zei Victor Nizet, professor aan de UC San Diego School of Medicine en Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, die co-auteur is van de studie en een arts-wetenschapper medewerker van Wang en Zhang. “Op basis van deze muisgegevens zien we dat de microrobots mogelijk de penetratie van antibiotica kunnen verbeteren om bacteriële pathogenen te doden en het leven van meer patiënten te redden.”

En als de gedachte om algencellen in je longen te stoppen je preuts maakt, zeggen de onderzoekers dat deze aanpak veilig is. Na de behandeling verteren de immuuncellen van het lichaam de algen efficiënt, samen met eventuele resterende nanodeeltjes. “Er blijft niets giftigs achter”, zei Wang.

Het werk bevindt zich nog in de proof-of-concept-fase. Het team is van plan meer fundamenteel onderzoek te doen om precies te begrijpen hoe de microrobots omgaan met het immuunsysteem. De volgende stappen omvatten ook studies om de microrobotbehandeling te valideren en op te schalen voordat deze wordt getest bij grotere dieren en uiteindelijk bij mensen.

“We verleggen de grens verder op het gebied van gerichte medicijnafgifte”, zegt Zhang.

De onderzoekspaper is getiteld “Nanodeeltjes-gemodificeerde microrobots voor in vivo toediening van antibiotica om acute bacteriële pneumonie te behandelen.”