Des nano-ingénieurs de l'Université de Californie à San Diego ont développé des robots microscopiques, appelés microrobots, qui peuvent nager dans les poumons, administrer des médicaments et être utilisés pour éliminer les cas de pneumonie bactérienne potentiellement mortels.

Chez les souris, les microrobots ont éliminé en toute sécurité les bactéries responsables de la pneumonie dans les poumons et ont permis une survie à 100 %. En revanche, les souris non traitées sont toutes mortes dans les trois jours suivant l'infection.

Les résultats sont publiés le 22 septembre dans Nature Materials .

Les microrobots sont constitués de cellules d'algues dont les surfaces sont parsemées de nanoparticules remplies d'antibiotiques. Les algues assurent le mouvement, ce qui permet aux microrobots de nager et de délivrer des antibiotiques directement à davantage de bactéries dans les poumons. Les nanoparticules contenant les antibiotiques sont constituées de minuscules sphères de polymère biodégradables recouvertes des membranes cellulaires des neutrophiles, qui sont un type de globules blancs. La particularité de ces membranes cellulaires est qu'elles absorbent et neutralisent les molécules inflammatoires produites par les bactéries et le système immunitaire de l'organisme. Cela donne aux microrobots la capacité de réduire l'inflammation nocive, ce qui les rend plus efficaces pour lutter contre les infections pulmonaires.

Le travail est un effort conjoint entre les laboratoires des professeurs de nano-ingénierie Joseph Wang et Liangfang Zhang, tous deux de l'UC San Diego Jacobs School of Engineering. Wang est un leader mondial dans le domaine de la recherche en micro et nanorobotique, tandis que Zhang est un leader mondial dans le développement de nanoparticules imitant les cellules pour le traitement des infections et des maladies. Ensemble, ils ont été les pionniers du développement de minuscules robots administrant des médicaments qui peuvent être utilisés en toute sécurité sur des animaux vivants pour traiter les infections bactériennes de l'estomac et du sang. Le traitement des infections pulmonaires bactériennes est le dernier né de leur domaine d'activité.

"Notre objectif est d'administrer des médicaments ciblés dans des parties plus difficiles du corps, comme les poumons. Et nous voulons le faire d'une manière sûre, facile, biocompatible et durable", a déclaré Zhang. "C'est ce que nous avons démontré dans ce travail."

L'équipe a utilisé les microrobots pour traiter des souris atteintes d'une forme aiguë et potentiellement mortelle de pneumonie causée par la bactérie Pseudomonas aeruginosa . Cette forme de pneumonie affecte généralement les patients qui reçoivent une ventilation mécanique dans l'unité de soins intensifs. Les chercheurs ont administré les microrobots aux poumons des souris à travers un tube inséré dans la trachée. Les infections ont complètement disparu après une semaine. Toutes les souris traitées avec les microrobots ont survécu au-delà de 30 jours, tandis que les souris non traitées sont mortes dans les trois jours.

Le traitement avec les microrobots était également plus efficace qu'une injection intraveineuse d'antibiotiques dans la circulation sanguine. Ces derniers nécessitaient une dose d'antibiotiques 3000 fois supérieure à celle utilisée dans les microrobots pour obtenir le même effet. À titre de comparaison, une dose de microrobots a fourni 500 nanogrammes d'antibiotiques par souris, tandis qu'une injection IV a fourni 1,644 milligrammes d'antibiotiques par souris.

L'approche de l'équipe est si efficace parce qu'elle place le médicament là où il doit aller plutôt que de le diffuser dans le reste du corps.

"Ces résultats montrent comment l'administration ciblée de médicaments combinée au mouvement actif des microalgues améliore l'efficacité thérapeutique", a déclaré Wang.

"Avec une injection IV, parfois seule une très petite fraction d'antibiotiques pénètre dans les poumons. C'est pourquoi de nombreux traitements antibiotiques actuels contre la pneumonie ne fonctionnent pas aussi bien que nécessaire, entraînant des taux de mortalité très élevés chez les patients les plus malades", a déclaré Victor Nizet, professeur à l'École de médecine de l'UC San Diego et à l'École de pharmacie et des sciences pharmaceutiques de Skaggs, qui est co-auteur de l'étude et collaborateur médecin-chercheur de Wang et Zhang. "Sur la base de ces données sur les souris, nous voyons que les microrobots pourraient potentiellement améliorer la pénétration des antibiotiques pour tuer les agents pathogènes bactériens et sauver la vie de plus de patients."

Et si l'idée de mettre des cellules d'algues dans vos poumons vous rend dégoûté, les chercheurs disent que cette approche est sans danger. Après le traitement, les cellules immunitaires du corps digèrent efficacement les algues, ainsi que les nanoparticules restantes. "Rien de toxique n'est laissé derrière", a déclaré Wang.

Les travaux sont encore au stade de la preuve de concept. L'équipe prévoit de faire plus de recherche fondamentale pour comprendre exactement comment les microrobots interagissent avec le système immunitaire. Les prochaines étapes comprennent également des études pour valider le traitement par microrobot et le mettre à l'échelle avant de le tester sur des animaux plus grands et éventuellement sur des humains.

« Nous repoussons les limites dans le domaine de l'administration ciblée de médicaments », a déclaré Zhang.

Le document de recherche s'intitule "Microrobots modifiés par des nanoparticules pour l'administration d'antibiotiques in vivo pour traiter la pneumonie bactérienne aiguë". + Explorer plus loin

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