肺部的微观机器人治疗小鼠细菌性肺炎

由覆盖有可生物降解聚合物纳米颗粒(棕色)的藻类细胞(绿色)制成的抗肺炎微型机器人的彩色SEM图像。纳米颗粒含有抗生素，并涂有中性粒细胞膜。[张方宇、李正兴]

在过去的十年中，微型机器人(微型机器人或纳米机器人)在生物医学应用中的使用引起了很多关注。现在，纳米工程师已经开发出微型机器人，可以在肺部游来游去，并提供用于治疗细菌性肺炎的药物。一项新的研究表明，微型机器人安全地消除了小鼠肺部引起肺炎的细菌，并导致100%的存活率。相比之下，未经治疗的小鼠在感染后三天内全部死亡。

研究结果发表在NatureMaterials的论文中，“纳米颗粒修饰的微型机器人用于体内抗生素递送以治疗急性细菌性肺炎。

微型机器人使用点击化学制成，将负载抗生素的中性粒细胞膜包被的聚合物纳米颗粒附着在天然微藻上。混合微型机器人可用于体内在肺部主动递送抗生素。

藻类提供运动，这使得微型机器人能够四处游动，并将抗生素直接输送给肺部的更多细菌。含有抗生素的纳米颗粒由微小的可生物降解聚合物球体制成，这些球体涂有中性粒细胞的细胞膜。这些细胞膜吸收和中和细菌和人体免疫系统产生的炎症分子。这使微型机器人能够减少有害的炎症，这反过来又使它们更有效地对抗肺部感染。

“我们的目标是将靶向药物输送到身体更具挑战性的部位，如肺部。我们希望以安全，简单，生物相容和持久的方式做到这一点，“加州大学圣地亚哥分校(UCSD)雅各布斯工程学院纳米工程系教授张良芳博士说。“这就是我们在这项工作中所展示的。

微型机器人在模拟肺液中速度快(>110μms−1)，并均匀分布到深部肺组织中。作者还指出，它们“在气管内给药后具有低肺泡巨噬细胞清除率和极好的组织保留时间(>2天)以测试动物。

研究小组使用微型机器人治疗由铜绿假单胞菌引起的急性和潜在致命肺炎的小鼠。这种形式的肺炎通常影响在重症监护病房接受机械通气的患者。研究人员通过插入气管的管子将微型机器人施用于小鼠的肺部。一周后，感染完全清除。所有用微型机器人治疗的小鼠存活超过30天，而未经治疗的小鼠在三天内死亡。

用微型机器人治疗比静脉注射抗生素到血液中更有效。后者需要比微型机器人中使用的抗生素剂量高3000倍才能达到相同的效果。相比之下，一剂微型机器人每只小鼠提供500纳克抗生素，而静脉注射每只小鼠提供1.644毫克抗生素。

该团队的方法非常有效，因为它将药物放在需要去的地方，而不是将其扩散到身体的其他部位。“这些结果表明，靶向药物递送与微藻的主动运动相结合如何提高治疗效果，”加州大学圣地亚哥分校纳米工程系教授JosephWang博士说。

“通过静脉注射，有时只有很小一部分抗生素会进入肺部。这就是为什么目前许多针对肺炎的抗生素治疗效果不佳，导致最重患者的死亡率非常高，“加州大学圣地亚哥分校医学院教授VictorNizet博士说。“基于这些小鼠数据，我们看到微型机器人有可能提高抗生素的渗透率，以杀死细菌病原体并挽救更多患者的生命。

这项工作仍处于概念验证阶段。该团队计划进行更多的基础研究，以准确了解微型机器人如何与免疫系统相互作用。接下来的步骤还包括研究验证微型机器人的治疗，并在大型动物和最终在人类中进行测试之前将其扩大规模。

“我们正在进一步推动靶向药物递送领域的界限，”张说。