Pequenos robôs nadadores tratam pneumonia mortal

Microrrobôs tratam pneumonia mortal em camundongos

imagem: Imagem SEM colorida de um microrrobô de combate à pneumonia feito de uma célula de alga (verde) coberta com nanopartículas de polímero biodegradável (marrom). As nanopartículas contêm antibióticos e são revestidas com membranas celulares de neutrófilos.
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Crédito: Fangyu Zhang e Zhengxing Li

Nanoengenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveram robôs microscópicos, chamados microrrobôs, que podem nadar nos pulmões, administrar medicamentos e ser usados ​​para esclarecer casos de pneumonia bacteriana com risco de vida.

Em camundongos, os microrrobôs eliminaram com segurança as bactérias causadoras de pneumonia nos pulmões e resultaram em 100% de sobrevivência. Em contraste, todos os camundongos não tratados morreram dentro de três dias após a infecção.

Os resultados são publicados em 22 de setembro em Materiais da Natureza.

Os microrrobôs são feitos de células de algas cujas superfícies são salpicadas de nanopartículas cheias de antibióticos. As algas fornecem movimento, o que permite que os microrrobôs nadem e entreguem antibióticos diretamente a mais bactérias nos pulmões. As nanopartículas contendo os antibióticos são feitas de minúsculas esferas de polímero biodegradável que são revestidas com as membranas celulares dos neutrófilos, que são um tipo de glóbulo branco. O que há de especial nessas membranas celulares é que elas absorvem e neutralizam moléculas inflamatórias produzidas por bactérias e pelo sistema imunológico do corpo. Isso dá aos microrrobôs a capacidade de reduzir a inflamação prejudicial, o que os torna mais eficazes no combate à infecção pulmonar.

O trabalho é um esforço conjunto entre os laboratórios dos professores de nanoengenharia Joseph Wang e Liangfang Zhang, ambos da Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs. Wang é líder mundial no campo de pesquisa em micro e nanorobótica, enquanto Zhang é líder mundial no desenvolvimento de nanopartículas que imitam células para o tratamento de infecções e doenças. Juntos, eles foram pioneiros no desenvolvimento de pequenos robôs de distribuição de medicamentos que podem ser usados ​​com segurança em animais vivos para tratar infecções bacterianas no estômago e no sangue. O tratamento de infecções pulmonares bacterianas é o mais recente em sua linha de trabalho.

“Nosso objetivo é fazer a entrega direcionada de drogas em partes mais desafiadoras do corpo, como os pulmões. E queremos fazê-lo de forma segura, fácil, biocompatível e duradoura”, disse Zhang. “Isso é o que demonstramos neste trabalho.”

A equipe usou os microrrobôs para tratar camundongos com uma forma aguda e potencialmente fatal de pneumonia causada pela bactéria Pseudomonas aeruginosa. Essa forma de pneumonia comumente afeta pacientes que recebem ventilação mecânica na unidade de terapia intensiva. Os pesquisadores administraram os microrrobôs nos pulmões dos camundongos por meio de um tubo inserido na traqueia. As infecções desapareceram completamente após uma semana. Todos os camundongos tratados com os microrrobôs sobreviveram por mais de 30 dias, enquanto os camundongos não tratados morreram em três dias.

O tratamento com os microrrobôs também foi mais eficaz do que uma injeção intravenosa de antibióticos na corrente sanguínea. Este último exigiu uma dose de antibióticos 3.000 vezes maior do que a usada nos microrrobôs para obter o mesmo efeito. Para comparação, uma dose de microrrobôs forneceu 500 nanogramas de antibióticos por camundongo, enquanto uma injeção intravenosa forneceu 1,644 miligramas de antibióticos por camundongo.

A abordagem da equipe é tão eficaz porque coloca o medicamento exatamente onde precisa ir, em vez de difundi-lo pelo resto do corpo.

“Esses resultados mostram como a entrega direcionada de drogas combinada com o movimento ativo das microalgas melhora a eficácia terapêutica”, disse Wang.

“Com uma injeção intravenosa, às vezes apenas uma fração muito pequena dos antibióticos chega aos pulmões. É por isso que muitos tratamentos atuais com antibióticos para pneumonia não funcionam tão bem quanto o necessário, levando a taxas de mortalidade muito altas nos pacientes mais doentes”, disse Victor Nizet, professor da Escola de Medicina da UC San Diego e da Escola de Farmácia e Ciências Farmacêuticas Skaggs, que é coautor do estudo e colaborador médico-cientista de Wang e Zhang. “Com base nesses dados de ratos, vemos que os microrrobôs podem melhorar a penetração de antibióticos para matar patógenos bacterianos e salvar a vida de mais pacientes”.

E se o pensamento de colocar células de algas em seus pulmões o deixa enjoado, os pesquisadores dizem que essa abordagem é segura. Após o tratamento, as células imunológicas do corpo digerem eficientemente as algas, juntamente com as nanopartículas restantes. “Nada tóxico é deixado para trás”, disse Wang.

O trabalho ainda está em fase de prova de conceito. A equipe planeja fazer mais pesquisas básicas para entender exatamente como os microrrobôs interagem com o sistema imunológico. Os próximos passos também incluem estudos para validar o tratamento do microrrobô e ampliá-lo antes de testá-lo em animais maiores e, eventualmente, em humanos.

“Estamos ampliando ainda mais os limites no campo da entrega direcionada de medicamentos”, disse Zhang.

Título do artigo: “Microrobôs modificados por nanopartículas para administração de antibióticos in vivo para tratar pneumonia bacteriana aguda”.

Este trabalho é apoiado pelos Institutos Nacionais de Saúde (R01CA200574).


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