微型游泳机器人治疗小鼠致命的肺炎

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的纳米工程师已经开发出称为微型机器人的微型机器人，它可以在肺部四处游动，提供药物并用于清除危及生命的细菌性肺炎病例。

在小鼠中，微型机器人安全地消除了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。

结果于 9 月 22 日发表在 Nature Materials上。

微型机器人由藻类细胞制成，其表面点缀着抗生素填充的纳米颗粒。藻类提供运动，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。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，这些球体上覆盖着嗜中性粒细胞的细胞膜，嗜中性粒细胞是一种白细胞。这些细胞膜的特别之处在于它们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炎症，从而使它们更有效地对抗肺部感染。

这项工作是加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院纳米工程教授 Joseph Wang 和 Liangfang Zhang 实验室的共同努力。Wang 是微型和纳米机器人研究领域的世界领导者，而 Zhang 是开发用于治疗感染和疾病的细胞模拟纳米粒子的世界领导者。他们一起率先开发了微型给药机器人，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最新的工作。

“我们的目标是将靶向药物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、生物相容和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细菌铜绿假单胞菌引起的急性且可能致命的肺炎形式的小鼠 。这种形式的肺炎通常会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老鼠都存活了 30 天，而未治疗的老鼠在三天内死亡。

使用微型机器人进行治疗也比静脉注射抗生素更有效。后者需要使用比微型机器人高出 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，”王说。

“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，导致病情最严重的患者死亡率非常高。他是该研究的合著者，也是王和张的医师-科学家合作者。“基于这些小鼠数据，我们看到微型机器人可能会提高抗生素的渗透性，从而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你感到不安，研究人员说这种方法是安全的。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验证微型机器人治疗的研究，并在对大型动物和最终在人类中进行测试之前扩大规模。