ZNANOST Plivajuće mikro-robotičke alge mogu izliječiti smrtonosnu upalu pluća u miševa

Na laboratorijskim miševima proveden je pokus. Miševi su naime, bili zaraženi smrtonosnom bakterijom što je rezultiralo stopostotnom učinkovitošću nakon primjene mikrorobota naoružanih nanočesticama obogaćenim antibiotikom.

Nanoinženjeri sa Sveučilišta Jacobs u San Diegu dizajnirali su mikroskopske robote koji mogu doplivati do najudaljenijih dijelova pluća i tamo isporučiti ​​lijekove neophodne za terapiju životno ugrožavajućih slučajeva bakterijske pneumonije.

Pokus je proveden na laboratorijskim miševima koji su prethodno bili izloženi bakterijskoj infekciji, kod kojih su mikroroboti eliminirali uzročnike pneumonije s apsolutnom učinkovitošću koja se očitovala 100%-tnim preživljavanjem. Nasuprot tome, svi neliječeni miševi uginuli su od pneumonije unutar tri dana od početnih simptoma infekcije. Rezultati su objavljeni 22. rujna u časopisu Nature Materials, kako piše za Bug.hr dr. Igor Berecki, pedijatar-intenzivist na Odjelu intenzivnog liječenja djece, Klinike za pedijatriju KBC Osijek

Mikroroboti-plivači načinjeni su od stanica algi na čiju su površinu nanesene nanočestice ispunjene antibioticima. Alge su sposobne za kretanje, što omogućuje mikrorobotima da plivaju unutar plućnih ogranaka i mjehurića (alveola) i isporučuju antibiotike izravno do bakterija naseljenih u oboljelim plućima. Nanočestice su izrađene od biorazgradivog materijala (kopolimerna laktoglikolna kiselina, Poly-Lactic-co-Glycolic Acid, PLGA) koji se već od ranije koristi kao građevni materijal za biokompatibilne i biorazgradive terapijske mikrouređaje, odobren od američke Uprave za hranu i lijekove (FDA).

PLGA mikrokuglice „filovane“ su antibioticima i potom obložene staničnom membranom neutrofilnih granulocita, jedne od podvrsta bijelih krvnih stanica (leukocita). Osim što oblažu PLGA-nanočestice s antibioticima, te granulocitne membrane na sebe apsorbiraju i neutraliziraju upalne molekule što ih proizvode bakterije i imunološki sustav tijela, čime mikroroboti ublažavaju štetne učinke upalnog procesa i time postaju još učinkovitiji u borbi protiv upale pluća.

Eksperiment je rezultat suradnje laboratorija dvaju profesora nanoinženjeringa, Josepha Wanga i Liangfanga Zhanga sa Sveučilišta San Diego Jacobs. Wang je svjetski lider u području istraživanja nanorobotike, dok je Zhang najistaknutiji svjetski stručnjak za razvoj nanočestica koje oponašaju žive stanice u liječenju infektivnih bolesti. Zajedno su već surađivali na pionirskim istraživanjima razvoja terapijskih mikroskopskih robota koji se kod živih životinja mogu koristiti za biokompatibilno liječenje bakterijskih infekcija u želucu i infekcija krvi (sepse). Terapija bakterijskih infekcija pluća najnoviji je korak naprijed u njihovoj suradnji.

- Cilj nam je bio postići preciznu, selektivnu isporuku lijeka u zahtjevnije, terapijski teže dostupne dijelove tijela, primjerice u pluća. A željeli smo to provesti na siguran, lak, biokompatibilan način, s dugotrajnim konačnim rezultatom - rekao je Zhang. - Upravo to smo i postigli u ovom radu. Pomakli smo prema naprijed granicu u području ciljane isporuke lijekova - dodao je.

Mikrorobotima su liječeni miševi koji su prethodno inficirani akutnim smrtonosnim oblikom pneumonije koju uzrokuje bakterija Pseudomonas aeruginosa. Kod ljudi, od upale pluća izazvane ovim uzročnikom najčešće obolijevaju teški bolesnici koji se u jedinici intenzivne njege nalaze na strojnoj potpori disanju (respiratorima). Ta bakterija je posebno teška za liječenje zbog svoje sklonosti da se trajno naseli (kolonizira) unutar pluća pacijenata, na mjestima teško dostupnim pri standardnim metodama primjene antibiotika (oralno, muskularno, venski).

Znanstvenici su mikrorobote u pluća miševa unijeli kroz respiracijski tubus umetnut u dušnik, glavnu dišnu „cijev“ koja se potom do pluća razgranava u sve sitnije ogranke – bronhe i bronhiole, sve do alveola, mjehurića u kojima se događa vitalno važna izmjena respiratornih plinova – kisika i ugljičnog dioksida. Tjedan dana nakon intubacijske „invazije“ mikrorobota u pluća, infekcije su potpuno nestale: svi miševi tretirani mikrorobotima preživjeli su više od 30 dana, dok su neliječeni miševi umrli unutar tri dana.

Druga kontrolna skupina miševa liječena je standardnom metodom primjene antibiotika: injekcijama. Pokazalo se da je liječenje mikrorobotima bilo učinkovitije od intravenske primjene antibiotika:  kako bi se postigao isti učinak kao kod liječenje mikrorobotima, za intravensko liječennje miševa bile su potrebne 3.000 puta veće dozu antibiotika od doze korištene u mikrorobotima (doza unesena u pluća putem mikrorobota iznosila je 500 nanograma antibiotika po mišu, dok je kod intravenskih injekcija iznosila 1,64 miligrama antibiotika po mišu).

- Mikrorobotska metoda je tako učinkovita zato što se njome lijek donosi točno tamo gdje je potreban, umjesto da ga se krvotokom raspršuje i razrjeđuje po cijelom tijelu. Naši rezultati pokazuju da ciljana isporuka lijeka u kombinaciji s aktivnim kretanjem mikroalgi ekstremno poboljšava terapijsku učinkovitost - rekao je Wang.

- Kod intravenske injekcije će samo vrlo mali dio doze antibiotika dospjeti u pluća. Zbog toga mnogi trenutni antibiotski tretmani za upalu pluća ne djeluju dovoljno dobro, što dovodi do vrlo visokih stopa smrtnosti kod najbolesnijih pacijenata - dodao je.

- Na temelju ovih podataka o miševima vidimo da mikroroboti mogu znatno poboljšati ciljani prodor antibiotika u inače slabo dostupna tkiva i organe, što ih čini vrlo učinkovitom metodom za iskorjenjivanje bakterijskih patogena i potencijalno spasonosnim načinom liječenja teško oboljelih pacijenata - kaže dr. Victor Nizet,

Ako vam se ideja o unošenju stanica algi u pluća čini bizarna i opasna po zdravlje, ne trebate brinuti: alge koje se koriste kao nosači nanočestica su biološki neutralne, a nakon što isporuče antibiotike na ciljno mjesto, pacijentove imunološke stanice ih učinkovito odstranjuju, zajedno sa svim preostalim nanočesticama. - U plućima miševa nakon provedene terapije nije ostalo ničega otrovnog ni opasnog - istaknuo je Wang.

I pored vrlo uvjerljivih rezultata svojih dosadašnjih istraživanja, mikrorobotičko-nanoinženjerska ekipa sa Sveučilišta u San Diegu još uvijek ne žuri s trijumfalnim izjavama. Oprezno ističući kako su pokusi s terapijskim mikrorobotima još uvijek u proof-of-concept fazi, planiraju provesti još više temeljnih istraživanja u cilju detaljnog razumijevanja principa na kojima se temelji uzajamna interakcija mikrorobota i imunološkog sustava pacijenata.

Za naredne korake planiraju nastavak pokusa na miševima, čime će dodatno provjeriti sigurnost i učinkovitost liječenja mikrorobotima prije testiranja na većim laboratorijskim životinjama i naposlijetku na ljudima. Biohibridni lijekovi nam sve glasnije kucaju na vrata: pred nama je sve izvjesnija budućnost medicinskog iskorištavanja mikrorobotike kombinirane s biološkim i biokompatibilnim materijalima, piše dr. Berecki.

I.G.