加利福尼亚大学圣地亚哥分校的纳米工程师创造了一种称为微型机器人的微型机器人，它们可以在肺部游动、输送药物并用于治疗危及生命的细菌性肺炎病例。
加利福尼亚大学圣地亚哥分校的纳米工程师创造了一种称为微型机器人的微型机器人，它们可以在肺部游动、输送药物并用于治疗危及生命的细菌性肺炎病例。
微型机器人安全地消除了导致小鼠肺部肺炎的细菌，从而使小鼠 100% 存活。相比之下，未接受治疗的小鼠在感染三天后全部死亡。
研究结果最近发表在《自然材料》杂志上。
微型机器人由藻类细胞构成，藻类细胞表面散布着含有抗生素的纳米颗粒。藻类提供了流动性，使微型机器人能够四处游动，并将抗生素直接输送到肺部的更多细菌中。构成含抗生素纳米颗粒的可生物降解的小聚合物球体被中性粒细胞（一种白细胞）的细胞膜包裹。
这些细胞膜的独特之处在于它们可以吸收和中和细菌和人体免疫系统产生的炎症分子。因此，微型机器人能够更好地对抗肺部感染，因为它们可以减轻有害的炎症。
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，并涂有嗜中性细胞膜。图片来源：Fangyu Zhang 和 Zhengxing Li
加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程教授 Joseph Wang 和 Liangfang Zhang 都参与了该项目。Wang 是微型和纳米机器人领域的世界领先者，而 Zhang 是开发类似于活细胞以治疗感染和疾病的纳米粒子的世界领先者。
他们一起率先开发了微型药物输送机器人，这些机器人可以安全地用于活体动物，以治疗胃和血液中的细菌感染。治疗细菌性肺部感染是他们工作中的最新成果。
“我们的目标是将药物靶向输送到身体更具挑战性的部位，比如肺部。我们希望以一种安全、简单、生物相容且持久的方式来做到这一点，”张说。“这就是我们在这项工作中所展示的。”
该团队使用微型机器人治疗患有由铜绿假单胞菌引起的急性且可能致命的肺炎的小鼠。这种形式的肺炎通常影响在重症监护室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注入小鼠的肺部。一星期后感染完全消失。所有接受微型机器人治疗的小鼠都存活了 30 天，而未经治疗的小鼠则在三天内死亡。
用微型机器人进行治疗也比向血液中静脉注射抗生素更有效。后者需要比微型机器人高 3000 倍的抗生素剂量才能达到相同的效果。相比之下，一剂微型机器人为每只老鼠提供了 500 纳克的抗生素，而静脉注射为每只老鼠提供了 1.644 毫克的抗生素。
该团队的方法非常有效，因为它将药物放在需要去的地方，而不是通过身体的其他部位扩散。
“这些结果表明靶向药物输送与微藻的主动运动如何提高治疗效果，”Wang 说。
“通过静脉注射，有时只有很少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，导致病情最严重的患者死亡率非常高，”加州大学圣地亚哥分校医学院和 Skaggs 药学与药物科学学院教授 Victor Nizet 说，他是该研究的合著者，也是 Wang 和 Zhang 的医师科学家合作者。“根据这些小鼠数据，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。”
如果将藻类细胞放入肺部的想法让您感到恶心，研究人员表示这种方法是安全的。治疗后，身体的免疫细胞会有效地消化藻类以及任何剩余的纳米颗粒。“没有留下任何有毒物质，”王说。
这项工作仍处于概念验证阶段。该团队计划进行更多基础研究，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以验证微型机器人治疗并扩大规模，然后再在较大的动物身上进行测试，并最终在人类身上进行测试。
“我们正在进一步推进靶向给药领域的边界，”张说。
参考：Fangyu Zhang、Jia Zhuang、Zhengxing Li、Hua Gong、Berta Esteban-Fernández de Ávila、Yaou Duan、Qiangzhe Zhang、Jiarong Zhou、Lu Yin 的“用于体内抗生素递送治疗急性细菌性肺炎的纳米颗粒修饰微型机器人” Emil Karshalev、Weiwei Gao、Victor Nizet、Ronnie H. Fang、Liangfang Zhang 和 Joseph Wang，2022 年 9 月 22 日，Nature Materials。
DOI: 10.1038/s41563-022-01360-9