Immagine SEM a colori di un microrobot che combatte la polmonite costituito da una cellula di alghe (verde) ricoperta di nanoparticelle polimeriche biodegradabili (marrone). Le nanoparticelle contengono antibiotici e sono ricoperte da membrane cellulari di neutrofili. Credito:Fangyu Zhang e Zhengxing Li
I nanoingegneri dell'Università della California di San Diego hanno sviluppato robot microscopici, chiamati microrobot, che possono nuotare nei polmoni, fornire farmaci ed essere utilizzati per ripulire casi di polmonite batterica pericolosi per la vita.
Nei topi, i microrobot hanno eliminato in modo sicuro i batteri che causano la polmonite nei polmoni e hanno portato a una sopravvivenza del 100%. Al contrario, tutti i topi non trattati sono morti entro tre giorni dall'infezione.
I risultati sono pubblicati il 22 settembre in Nature Materials .
I microrobot sono costituiti da cellule di alghe le cui superfici sono macchiate di nanoparticelle riempite di antibiotici. Le alghe forniscono movimento, che consente ai microrobot di nuotare e fornire antibiotici direttamente a più batteri nei polmoni. Le nanoparticelle contenenti gli antibiotici sono costituite da minuscole sfere polimeriche biodegradabili che sono rivestite con le membrane cellulari dei neutrofili, che sono un tipo di globuli bianchi. La particolarità di queste membrane cellulari è che assorbono e neutralizzano le molecole infiammatorie prodotte dai batteri e dal sistema immunitario del corpo. Ciò conferisce ai microrobot la capacità di ridurre l'infiammazione dannosa, che a sua volta li rende più efficaci nella lotta contro le infezioni polmonari.
Il lavoro è uno sforzo congiunto tra i laboratori dei professori di nanoingegneria Joseph Wang e Liangfang Zhang, entrambi presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering. Wang è un leader mondiale nel campo della ricerca sulla micro e nanorobotica, mentre Zhang è un leader mondiale nello sviluppo di nanoparticelle che imitano le cellule per il trattamento di infezioni e malattie. Insieme, hanno aperto la strada allo sviluppo di minuscoli robot per la somministrazione di farmaci che possono essere utilizzati in sicurezza negli animali vivi per trattare le infezioni batteriche nello stomaco e nel sangue. Il trattamento delle infezioni polmonari batteriche è l'ultimo nella loro linea di lavoro.
"Il nostro obiettivo è fornire farmaci mirati nelle parti più difficili del corpo, come i polmoni. E vogliamo farlo in un modo che sia sicuro, facile, biocompatibile e duraturo", ha affermato Zhang. "Questo è ciò che abbiamo dimostrato in questo lavoro."
Il team ha utilizzato i microrobot per trattare i topi con una forma acuta e potenzialmente fatale di polmonite causata dai batteri Pseudomonas aeruginosa . Questa forma di polmonite colpisce comunemente i pazienti che ricevono la ventilazione meccanica nell'unità di terapia intensiva. I ricercatori hanno somministrato i microrobot ai polmoni dei topi attraverso un tubo inserito nella trachea. Le infezioni si sono completamente risolte dopo una settimana. Tutti i topi trattati con i microrobot sono sopravvissuti per oltre 30 giorni, mentre i topi non trattati sono morti entro tre giorni.
Il trattamento con i microrobot è stato anche più efficace di un'iniezione endovenosa di antibiotici nel flusso sanguigno. Quest'ultimo richiedeva una dose di antibiotici 3000 volte superiore a quella utilizzata nei microrobot per ottenere lo stesso effetto. Per fare un confronto, una dose di microrobot ha fornito 500 nanogrammi di antibiotici per topo, mentre un'iniezione endovenosa ha fornito 1.644 milligrammi di antibiotici per topo.
L'approccio del team è così efficace perché mette il farmaco proprio dove deve andare piuttosto che diffonderlo nel resto del corpo.
"Questi risultati mostrano come la somministrazione mirata di farmaci combinata con il movimento attivo delle microalghe migliori l'efficacia terapeutica", ha affermato Wang.
"Con un'iniezione endovenosa, a volte solo una piccolissima frazione di antibiotici entra nei polmoni. Ecco perché molti attuali trattamenti antibiotici per la polmonite non funzionano bene quanto necessario, portando a tassi di mortalità molto elevati nei pazienti più malati", ha affermato Victor Nizet, professore presso la UC San Diego School of Medicine e la Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, coautore dello studio e collaboratore medico-scienziato di Wang e Zhang. "Sulla base di questi dati sui topi, vediamo che i microrobot potrebbero potenzialmente migliorare la penetrazione degli antibiotici per uccidere gli agenti patogeni batterici e salvare la vita di più pazienti."
E se il pensiero di mettere cellule di alghe nei polmoni ti rende schizzinoso, i ricercatori affermano che questo approccio è sicuro. Dopo il trattamento, le cellule immunitarie del corpo digeriscono in modo efficiente le alghe, insieme a tutte le nanoparticelle rimanenti. "Non viene lasciato nulla di tossico", ha detto Wang.
Il lavoro è ancora nella fase di proof-of-concept. Il team prevede di fare ricerche più basilari per capire esattamente come i microrobot interagiscono con il sistema immunitario. I prossimi passi includono anche studi per convalidare il trattamento con microrobot e aumentarlo prima di testarlo su animali più grandi e, infine, sull'uomo.
"Stiamo spingendo ulteriormente il confine nel campo della somministrazione mirata di farmaci", ha affermato Zhang.
Il documento di ricerca è intitolato "Microrobot modificati con nanoparticelle per la somministrazione di antibiotici in vivo per il trattamento della polmonite batterica acuta". + Esplora ulteriormente
