美国加州大学圣地亚哥分校：可吸入微型机器人让肺部治疗“轻而易举”

2025年1月14日，美国加州大学圣地亚哥分校化学与纳米工程Joseph Wang教授团队在期刊《Nature Communications》上发表了题为“Inhalable biohybrid microrobots: a non-invasive approach for lung treatment”的研究论文。利用这种肺部吸入方法输送装载有万古霉素的血小板膜包被聚合物纳米粒子的微机器人，在急性耐甲氧西林金黄色葡萄球菌肺炎小鼠模型中证明了治疗效果。研究结果强调了可吸入生物混合微机器人在不需要麻醉的情况下所带来的益处，凸显了这种递送系统在常规临床应用中的巨大转化潜力。

https://www.nature.com/articles/s41467-025-56032-4

关于雾化藻类机器人

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在这项研究中，团队报告了一种专为高效肺部给药治疗微型机器人而设计的雾化系统。吸入式给药是治疗肺部疾病的一种极具吸引力的方法。生物混合微型机器人依靠生物微型引擎，与合成微型机器人相比具有显著优势，合成微型机器人可能受到燃料供应有限、进入特定器官和组织受限，以及潜在毒性等因素的制约。因此，将吸入式给药和生物杂交微型机器人的优势结合起来，有望成为治疗肺部疾病的有效平台。

基于肺部给药的可吸入微机器人系统依赖于绿藻Micromonas pusilla作为其执行器（称为 “藻类机器人”）。气溶胶颗粒大小是一个关键因素，因为它决定了雾化液滴能否有效到达肺泡区域。藻类机器人体积小（直径约为1-1.5μm），因此，能被有效地包裹在气溶胶颗粒中，其中98.6%的颗粒小于10μm，有利于吸入肺部。研究结果表明，通过雾化方法给药治疗小鼠耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）感染模型，疗效更佳。

基于藻类的生物混合微机器人雾化器平台的特性分析，用于肺部吸入给药。

携带抗生素有效载荷的雾化藻类机器人的体内抗菌效果

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与静态藻类-PNP(Vanc)组和PNP(Vanc)组相比，藻类-PNP(Vanc)-机器人处理组的细菌量显著降低。此外，雾化海藻-PNP(Vanc)-机器人的疗效明显高于同等剂量的静脉注射游离万古霉素（每只小鼠8.5μg，1剂），并且与临床静脉注射游离万古霉素（30mg kg-1，相当于每只小鼠600μg，2剂）的疗效相当。在另一项存活率研究中，通过雾化吸入海藻-PNP（万古霉素）-机器人治疗的受感染小鼠在60天的研究期内存活率为100%。相比之下，使用1×PBS缓冲液、静态海藻-PNP(万古霉素)或同等剂量静脉注射游离万古霉素的小鼠均在3天内死亡。使用PNP(Vanc) 和临床剂量静脉注射游离万古霉素的小鼠的长期存活率分别为16.67%和66.67%。

 通过雾化给药的载药藻类机器人的体内疗效和安全性评估。

总结

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1. 研究团队开发了首个生物混合微机器人雾化系统，用于通过吸入进行肺部给药治疗，具有非侵入性、提高患者舒适度等优点。

2. 该系统产生的气溶胶粒子能使微核藻类微机器人有效进入肺部，且微机器人在吸入给药后能保持运动能力，其自我推进能力可抑制巨噬细胞吞噬作用，延长在小鼠肺部的滞留时间。

3. 实验结果显示，与静态海藻和纳米粒子对照组相比，使用该系统运载药物的海藻机器人在小鼠急性肺炎模型中杀菌效果和存活率显著提高，证实其是向肺部输送治疗药物的理想选择。

4. 生物安全性评估表明，该系统对血液化学、血细胞计数和器官完整性影响微小，具有向临床过渡的潜在适宜性。

5. 该系统可用于治疗多种肺部疾病，如哮喘、肺结核、急性肺损伤或慢性阻塞性肺病等，能提高治疗效率、减少副作用、加强疾病管理、改善患者预后、减少给药频率、提高依从性。

6. 未来向临床过渡需在更大动物模型中验证安全性和疗效，考虑肺部结构和大小差异，优化气溶胶颗粒大小、流速和总吸入剂量等因素，且该系统可与多种有效载荷配合使用，具有广泛的应用前景。

参考资料：

1.Soto, F. et al. Smart materials for microrobots. Chem. Rev. 122, 5365–5403 (2021).

2.Nelson, B. J., Kaliakatsos, I. K. & Abbott, J. J. Microrobots for minimally invasive medicine. Annu. Rev. Biomed. Eng. 12, 55–85 (2010).