Группа ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработала микроскопических роботов — микроботов, которые способны доставлять антибиотики в легкие для лечения тяжелых случаев бактериальной пневмонии in vivo.
Микроботы были разработаны в результате совместной работы лабораторий профессоров наноинженерии Джозефа Вана и Лянфанга Чжана из Инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего. Ван является мировым лидером в области исследований микро- и наноробототехники, а Чжан — мировым лидером в разработке наночастиц для лечения различных заболеваний. Вместе они стали пионерами в разработке крошечных биороботов для доставки лекарств. Первоначально они разрабатывали эту технологию для безопасного лечения бактериальных инфекций желудка и крови у животных. К настоящему времени ученые сфокусировались на лечении бактериальных инфекций легких, что является более трудоемкой задачей.
За основу биоконструкции ученые взяли одноклеточную водоросль хламидомонаду Рейнгардта (Chlamydomonas reinhardtii), поверхность которой модифицировали с помощью наночастиц. Наночастицы, наполненные антибиотиками, состоят из крошечных биоразлагаемых полимерных сфер, покрытых клеточными мембранами нейтрофилов. Таким образом водоросль обеспечивает движение, что позволяет микророботам «плавать» и доставлять антибиотики непосредственно к бактериям в легких, а нейтрофильная мембрана, в свою очередь, позволяет сделать модификацию менее заметной для иммунной системы, снизить иммунный клиренс и обеспечивает микроботам специфическое связывание с бактериями.
Ученые использовали микророботов для лечения мышей с острой и потенциально смертельной формой пневмонии, вызванной бактериями Pseudomonas aeruginosa. Эта форма пневмонии обычно поражает пациентов, находящихся на искусственной вентиляции легких в отделении интенсивной терапии. После интратрахеального введения микроботов было выявлено эффективное снижение бактериальной нагрузки и выздоровление подопытных животных. Напротив, контрольная группа животных без микроботов умерла в течение трех дней после заражения.
Кроме того, лечение с помощью микророботов оказалось более эффективным по сравнению с внутривенным введением антибиотиков: доза антибиотиков в 3000 раз превышала дозу, используемую в микророботах для достижения требуемого эффекта (1,644 миллиграмма антибиотика к 500 нанограммов на мышь, соответственно).
«Эти результаты показывают, что целенаправленная доставка лекарств в сочетании с активным движением микроводорослей повышает терапевтическую эффективность», — комментирует Ван.
«При внутривенной инъекции в легкие попадает лишь небольшая часть антибиотиков. Вот почему многие современные антибиотики для лечения пневмонии не работают должным образом, что приводит к очень высокому уровню смертности среди тяжелых пациентов», — добавляет Виктор Низе, профессор Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего и Школы фармацевтики и фармацевтических наук Скаггса, который является соавтором исследования.
Если сама мысль о том, чтобы поместить клетки водорослей в легкие, вызывает у вас брезгливость и недоверие, то ученые придерживаются другой точки зрения и считают, что данный метод будет безопасен для пациентов. Исследования демонстрируют, что иммунные клетки организма эффективно «переваривают» водоросли вместе с оставшимися наночастицами; поглощение альвеолярными макрофагами является основным механизмом очистки от водорослей в легких.
Работа все еще находится на стадии проверки концепции. Команда планирует провести дополнительные фундаментальные исследования, чтобы изучить молекулярные механизмы взаимодействия микророботов с иммунной системой, их биосовместимость, а также эффективность лечения и его масштабирование на более крупных животных и в конечном итоге на людей.
