Los nanoingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado robots microscópicos, llamados microrobots, que pueden nadar en los pulmones, administrar medicamentos y usarse para curar casos de neumonía bacteriana que ponen en peligro la vida.

En ratones, los microrobots eliminaron de manera segura las bacterias que causan neumonía en los pulmones y dieron como resultado una supervivencia del 100 %. Por el contrario, todos los ratones no tratados murieron dentro de los tres días posteriores a la infección.

Los resultados se publican el 22 de septiembre en Nature Materials .

Los microrobots están hechos de células de algas cuyas superficies están salpicadas de nanopartículas llenas de antibióticos. Las algas proporcionan movimiento, lo que permite que los microrobots naden y entreguen antibióticos directamente a más bacterias en los pulmones. Las nanopartículas que contienen los antibióticos están hechas de diminutas esferas de polímero biodegradable que están recubiertas con las membranas celulares de los neutrófilos, que son un tipo de glóbulo blanco. Lo especial de estas membranas celulares es que absorben y neutralizan las moléculas inflamatorias producidas por las bacterias y el sistema inmunológico del cuerpo. Esto le da a los microrobots la capacidad de reducir la inflamación dañina, lo que a su vez los hace más efectivos para combatir la infección pulmonar.

El trabajo es un esfuerzo conjunto entre los laboratorios de los profesores de nanoingeniería Joseph Wang y Liangfang Zhang, ambos en la Escuela de Ingeniería UC San Diego Jacobs. Wang es líder mundial en el campo de la investigación de micro y nanorobótica, mientras que Zhang es líder mundial en el desarrollo de nanopartículas que imitan células para el tratamiento de infecciones y enfermedades. Juntos, han sido pioneros en el desarrollo de diminutos robots que administran medicamentos que se pueden usar de manera segura en animales vivos para tratar infecciones bacterianas en el estómago y la sangre. El tratamiento de infecciones pulmonares bacterianas es lo último en su línea de trabajo.

"Nuestro objetivo es administrar medicamentos dirigidos a las partes del cuerpo más desafiantes, como los pulmones. Y queremos hacerlo de una manera que sea segura, fácil, biocompatible y duradera", dijo Zhang. "Eso es lo que hemos demostrado en este trabajo".

El equipo usó los microrobots para tratar ratones con una forma aguda y potencialmente mortal de neumonía causada por la bacteria Pseudomonas aeruginosa. . Esta forma de neumonía afecta comúnmente a pacientes que reciben ventilación mecánica en la unidad de cuidados intensivos. Los investigadores administraron los microrobots a los pulmones de los ratones a través de un tubo insertado en la tráquea. Las infecciones desaparecieron por completo después de una semana. Todos los ratones tratados con los microrobots sobrevivieron más de 30 días, mientras que los ratones no tratados murieron dentro de los tres días.

El tratamiento con los microrobots también fue más eficaz que una inyección intravenosa de antibióticos en el torrente sanguíneo. Este último requirió una dosis de antibióticos 3000 veces mayor que la utilizada en los microrobots para lograr el mismo efecto. A modo de comparación, una dosis de microrobots proporcionó 500 nanogramos de antibióticos por ratón, mientras que una inyección IV proporcionó 1,644 miligramos de antibióticos por ratón.

El enfoque del equipo es tan efectivo porque coloca el medicamento justo donde debe ir en lugar de difundirlo por el resto del cuerpo.

"Estos resultados muestran cómo la administración dirigida de fármacos combinada con el movimiento activo de las microalgas mejora la eficacia terapéutica", dijo Wang.

"Con una inyección intravenosa, a veces solo una fracción muy pequeña de antibióticos llega a los pulmones. Es por eso que muchos tratamientos antibióticos actuales para la neumonía no funcionan tan bien como se necesita, lo que lleva a tasas de mortalidad muy altas en los pacientes más enfermos", dijo. Victor Nizet, profesor de la Facultad de Medicina de UC San Diego y de la Facultad de Farmacia y Ciencias Farmacéuticas Skaggs, coautor del estudio y colaborador médico-científico de Wang y Zhang. "Con base en estos datos del ratón, vemos que los microrobots podrían mejorar potencialmente la penetración de los antibióticos para eliminar los patógenos bacterianos y salvar la vida de más pacientes".

Y si la idea de poner células de algas en sus pulmones le da escrúpulos, los investigadores dicen que este enfoque es seguro. Después del tratamiento, las células inmunitarias del cuerpo digieren eficientemente las algas, junto con las nanopartículas restantes. "No queda nada tóxico", dijo Wang.

El trabajo aún se encuentra en la etapa de prueba de concepto. El equipo planea realizar una investigación más básica para comprender exactamente cómo interactúan los microrobots con el sistema inmunológico. Los próximos pasos también incluyen estudios para validar el tratamiento con microrobot y ampliarlo antes de probarlo en animales más grandes y, finalmente, en humanos.

"Estamos ampliando los límites en el campo de la administración dirigida de medicamentos", dijo Zhang.

El trabajo de investigación se titula "Microrobots modificados con nanopartículas para la administración de antibióticos in vivo para tratar la neumonía bacteriana aguda". + Explora más

Convertir glóbulos blancos en microrobots medicinales con luz