百分百生存——微型游泳机器人可以治疗危及生命的肺炎病例

百分百生存——微型游泳机器人可以治疗危及生命的肺炎病例

米国加利福尼亚大学圣地亚哥分校的纳米工程师创造了一种微型机器人（microrobots），它们可以在肺部游动、输送药

物并用于治疗危及生命的细菌性肺炎病例。这项工作得到了米国国立卫生研究院的支持（R01CA200574）。

微型机器人安全地消除了导致小鼠肺部肺炎的细菌，从而使小鼠 100% 存活。相比之下，未接受治疗的小鼠在感染三天

后全部死亡。 

研究结果最近发表在《自然·材料》（Nature Materials）杂志上。

微型机器人由藻类细胞制成，藻类细胞表面散布着含有抗生素的纳米粒子。藻类提供了流动性，使微型机器人能够四处

游动，并将抗生素直接输送到肺部的更多细菌中。构成含抗生素纳米颗粒的可生物降解的小聚合物球体被中性粒细胞（

一种白细胞）的细胞膜包裹。

这些细胞膜的独特之处在于它们可以吸收和中和细菌和人体免疫系统产生的炎症分子。因此，微型机器人能够更好地对

抗肺部感染，因为它们可以减轻有害的炎症。

米国加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院（UC San Diego Jacobs School of Engineering）的纳米工程教授 

Joseph Wang（约瑟夫·王，音译）和 Liangfang Zhang（张良芳，音译）都参与了这个项目。王是微型和纳米机器人领

域的世界领导者，张是开发类似活细胞的纳米颗粒以治疗感染和疾病的世界领导者。

他们一起率先开发了微型药物输送机器人，这些机器人可以安全地用于活体动物，以治疗胃和血液中的细菌感染。治疗

细菌性肺部感染是他们工作中的最新成果。

他们指出：我们的目标是将药物靶向输送到身体更具挑战性的部位，比如肺部。我们希望以一种安全、简单、生物相容

且持久的方式来做到这一点。这就是我们在这项工作中所展示的。

该团队使用微型机器人治疗患有由铜绿假单胞菌引起的急性且可能致命的肺炎的小鼠。这种形式的肺炎通常影响在重症

监护室接受机械通气的患者。研究人员通过插入气管的管子将微型机器人注入小鼠的肺部。一星期后感染完全消失。所

有接受微型机器人治疗的小鼠都存活了 30 天，而未经治疗的小鼠则在三天内死亡。

用微型机器人进行治疗也比经静脉向血液中注射抗生素更有效。后者需要比微型机器人高 3000 倍的抗生素剂量才能达

到相同的效果。相比之下，一剂微型机器人为每只老鼠提供了 500 纳克的抗生素，而静脉注射为每只老鼠提供了 1.644 

毫克的抗生素。

该团队的方法非常有效，因为它将药物放在需要去的地方，而不是通过身体的其他部位扩散。

研究人员指出，这些结果显示了靶向药物传递与微藻主动运动相结合如何提高治疗效果。

专家指出：通过静脉注射，有时只有很少一部分抗生素会进入肺部。这就是为什么目前许多针对肺炎的抗生素治疗效果

不佳，导致病情最严重的患者死亡率非常高。根据这些小鼠数据，我们看到微型机器人有可能提高抗生素的渗透率，以

杀死细菌病原体并挽救更多患者的生命。

研究人员表示，如果把藻类细胞放入肺部的想法让你感到恶心，这种方法是安全的。治疗后，人体的免疫细胞会有效地

消化藻类，以及任何剩余的纳米颗粒，没有留下任何有毒物质。

这项工作仍处于概念验证阶段。该团队计划进行更多基础研究，以准确了解微型机器人如何与免疫系统相互作用。接下

来的步骤还包括研究以验证微型机器人治疗并扩大规模，然后再在较大的动物身上进行测试，并最终在人类身上进行测

试。

研究人员表示他们正在进一步拓展靶向药物输送领域的边界。

附研究背景：

在过去十年中，人们广泛探索了微/纳米机器人在生物医学应用中的潜力。尽管早期的微型机器人设计主要由刚性金属或

聚合物结构组成，可用于各种体外应用，但基于生物相容性和可变形材料的新型平台为体内操作提供了一些独特的优势

，包括改进的药物输送、深层组织成像和精确度显微外科。

由于天然燃料的可用性、某些器官和组织的可及性以及潜在毒性的限制，这些微型机器人的体内应用通常受到限制。

可生物降解的锌基和镁基微型机器人已用于胃肠道的药物输送。磁力驱动的微型机器人已证明可以深入玻璃体液并在腹

膜腔内驱动。在其他身体部位实现主动推进是困难的，但如果成功，将为重要疾病的治疗提供前所未有的好处。

在这里，该研究团队报告了一个受生物启发的微型机器人平台，该平台由纳米颗粒 (NP) 修饰的藻类组成，用于主动治

疗肺部疾病。

生物混合微型机器人结合了天然生物的运动性和合成组件的多功能性，最近被研究作为纯合成微型机器人的替代品。

在众多适用条件中，研究团队选择首先测试藻类-NP-机器人在体内输送抗生素以治疗细菌性肺部感染。具体而言，呼吸

机相关性肺炎 (VAP) 是一种急性且可能致命的感染，其特征是在重症监护病房 (ICU) 环境中开始机械通气后 48 小时

发病。

VAP 是医院患者中最常见的感染之一，影响 10% 至 25% 的插管患者，导致相当大的死亡率、延长 ICU 停留时间和增加

通气天数。多重耐药病原体，如随着抗生素继续被滥用且效果逐渐减弱，抗生素变得越来越普遍。

研究者假设在 VAP 的实验模型中，藻类-NP-机器人系统能够实现深层组织渗透和延长药物保留，从而提高肺部抗生素输

送效率。