Нанороботы-пловцы вылечили смертельную пневмонию у мышей

Инженеры-нанотехнологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали микроскопических роботов (микророботов), способных плавать в лёгких, доставлять лекарства и использоваться для лечения опасных для жизни случаев бактериальной пневмонии.

У мышей микророботы безопасно уничтожили вызывающие пневмонию бактерии в лёгких, что привело к 100% выживаемости. В то же время все нелеченные мыши погибли в течение трёх дней после заражения.

Результаты опубликованы 22 сентября в журнале Nature Materials.

Микророботы состоят из клеток водорослей, поверхность которых усеяна наночастицами, заполненными антибиотиком. Водоросли обеспечивают движение, позволяя роботам плавать и доставлять антибиотики непосредственно к большему количеству бактерий в лёгких. Наночастицы с антибиотиком представляют собой крошечные биоразлагаемые полимерные сферы, покрытые клеточными мембранами нейтрофилов — типа белых кровяных клеток. Особенность этих мембран в том, что они поглощают и нейтрализуют воспалительные молекулы, вырабатываемые бактериями и иммунной системой организма. Это позволяет микророботам снижать вредное воспаление, что, в свою очередь, повышает их эффективность в борьбе с лёгочной инфекцией.

Работа является совместным усилием лабораторий профессоров наноинженерии Джозефа Вана и Лянфан Чжана из Инженерной школы Джейкобса. Ван — мировой лидер в области исследований микро- и наноробототехники, а Чжан — мировой лидер в разработке наночастиц, имитирующих клетки, для лечения инфекций и болезней. Вместе они стали пионерами в создании крошечных роботов для доставки лекарств, которые можно безопасно использовать на живых животных для лечения бактериальных инфекций желудка и крови. Лечение бактериальных инфекций лёгких — их последняя работа.

Команда использовала микророботов для лечения мышей с острой и потенциально смертельной формой пневмонии, вызываемой бактерией Pseudomonas aeruginosa. Эта форма пневмонии часто поражает пациентов, находящихся на искусственной вентиляции лёгких в отделении интенсивной терапии. Исследователи вводили микророботов в лёгкие мышей через трубку, вставленную в трахею. Инфекция полностью исчезла через одну неделю. Все мыши, получавшие лечение микророботами, выжили после 30 дней, тогда как нелеченные мыши погибли в течение трёх дней.

Лечение микророботами также оказалось эффективнее внутривенной инъекции антибиотиков в кровоток. Последняя требовала дозы антибиотиков, в 3000 раз превышающей дозу, использованную в микророботах, для достижения того же эффекта. Для сравнения: доза микророботов обеспечивала 500 нанограмм антибиотика на мышь, а внутривенная инъекция — 1,644 миллиграмма антибиотика на мышь.

Подход команды настолько эффективен, потому что доставляет лекарство именно туда, где это необходимо, а не распределяет его по всему телу.

После лечения иммунные клетки организма эффективно переваривают водоросли вместе с оставшимися наночастицами. «Не остаётся ничего токсичного», — сказал Ван.

Работа всё ещё находится на стадии подтверждения концепции. Команда планирует провести дополнительные фундаментальные исследования, чтобы понять, как именно микророботы взаимодействуют с иммунной системой. Следующие шаги также включают исследования по валидации лечения микророботами и его масштабированию перед тестированием на более крупных животных и, в конечном итоге, на людях.