Mikroroboter in der Lunge

Mit Algen gegen Krankenhauskeime

4. Oktober 2022, 11:55 Uhr | Ute Häußler
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Illustration von Mikrorobotern, die zur Behandlung von Lungenentzündungen in die Lunge eindringen.
© Wang Lab/UC San Diego

Eine neue Form der Medikamentenabgabe: Kalifornische Nanoingenieure haben Mikroroboter entwickelt, die in der Lunge Medikamente gegen die lebensbedrohliche bakterielle Lungenentzündung abgeben.

20 Tausend Menschen sterben in Deutschland pro Jahr an einer bakteriellen Lungenentzündung, oft erfolgt die Infektion über resistente Keime im Krankenhaus. Forschende der Universität von San Diego haben jetzt sehr erfolgversprechende Mikroroboter entwickelt, die aus Algenzellen hergestellt werden. Sie können damit in der Lunge schwimmen und mit Antbiotika gefüllte Nanopartikel zielgerichtet gegen Bakterien abgeben. In Tierversuchen mit Mäusen konnte alle Tiere der Testgruppe gegen die Lungenentzündungmikroben geschützt werden, die nicht behandelte Vergleichsgruppe starb ohne Ausnahme.

Ohne Rückstände im Körper

Die Nanopartikel, die die Antibiotika enthalten, bestehen aus winzigen biologisch abbaubaren Polymerkügelchen, die mit den Zellmembranen von Neutrophilen, einer Art weißer Blutkörperchen, beschichtet sind. Das Besondere an diesen Zellmembranen ist, dass sie Entzündungsmoleküle absorbieren und neutralisieren, die von Bakterien und dem körpereigenen Immunsystem produziert werden. Dadurch sind die Mikroroboter in der Lage, schädliche Entzündungen zu reduzieren, was sie wiederum effektiver bei der Bekämpfung von Lungeninfektionen macht.

Die Forschenden setzen die Mikroroboter gegen die akute und potenziell tödliche Form der Lungenentzündung ein, welche durch das Bakterium »Pseudomonas aeruginosa« verursacht wird. Diese Form der Lungenentzündung betrifft häufig Patienten, die auf der Intensivstation mechanisch beatmet werden.

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Farbige REM-Aufnahme eines Mikroroboters zur Bekämpfung von Lungenentzündung, der aus einer Algenzelle (grün) besteht, die mit biologisch abbaubaren Polymer-Nanopartikeln (braun) bedeckt ist. Die Nanopartikel enthalten Antibiotika und sind mit neutrophilen Zellmembranen beschichtet.
© Wang Lab/UC San Diego

Erfolg durch Punktlandung

Die Behandlung mit den Mikrorobotern war um ein vielfaches wirksamer als eine intravenöse Injektion von Antibiotika in die Blutbahn. Letztere erforderte eine Dosis von Antibiotika, die 3000-mal höher war als die in den Mikrorobotern verwendete, um die gleiche Wirkung zu erzielen. Zum Vergleich: Eine Dosis von Mikrorobotern lieferte 500 Nanogramm Antibiotika pro Maus, während eine IV-Injektion 1,644 Milligramm Antibiotika pro Maus lieferte. Der Ansatz ist deshalb so wirksam, weil er das Medikament genau dorthin bringt, wo es benötigt wird, anstatt es im restlichen Körper zu verteilen.

»Diese Ergebnisse zeigen, wie die gezielte Verabreichung von Medikamenten in Kombination mit der aktiven Bewegung der Mikroalgen die therapeutische Wirksamkeit verbessert«, so einer der beiden Forschungsleiter Joseph Wang. Das geringe Ankommen klassischer Antibiotika-Behandlungen in der Lunge ist einer der Gründe für die hohe Sterblichkeit der Krankheit.

Neue Form der Medikamentenabgabe

Nach der Behandlung verdauen die körpereigenen Immunzellen die Algen zusammen mit den restlichen Nanopartikeln sehr effizient. Es wird laut Wang »nichts Giftiges zurückgelassen«.

Derzeit ist die Arbeit in der Phase des Machbarkeitsnachweises. Das Team plant, weitere Grundlagenforschung zu betreiben, um genau zu verstehen, wie die Mikroroboter mit dem Immunsystem interagieren. Zu den nächsten Schritten gehören auch Studien zur Validierung der Mikroroboter-Behandlung und deren Skalierung, bevor sie an größeren Tieren und schließlich am Menschen getestet wird.

Die Ziele der kalifornischen Forscher sind so ambitioniert wie auch realistisch: »Wir verschieben die Grenzen der gezielten Medikamentenabgabe weiter«, so Zhang.

 

 


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