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Biohybrid-Technik

Mit Algen-Robotern gegen Lungenentzündung

Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Mikroroboters, der aus einer Algenzelle (grün) besteht, die mit biologisch abbaubaren Polymer-Nanopartikeln (braun) bedeckt ist. © Fangyu Zhang und Zhengxing Li

Wuselnde Winzlinge mit heilender Wirkung: Forscher haben begeißelte Algen in biohybride Mikroroboter verwandelt, die in der Lunge aktiv Antibiotika verbreiten können. Auf ihrem Weg durch das Organ geben sie ihre Fracht langsam ab und können dadurch bakteriellen Krankheitserregern schaden, ohne dass der gesamte Körper mit Antibiotika behandelt werden muss. Anschließend werden die Biohybrid-Roboter vom Organismus rückstandslos abgebaut. In ersten Tests an Mäusen haben die Wissenschaftler das Potenzial des Konzepts bereits verdeutlicht: Sie konnten Lungenentzündungen auf schonende Weise beseitigen.

Schon seit einiger Zeit tüfteln verschiedene Forschergruppen mit unterschiedlichen Methoden an futuristisch wirkenden Behandlungstechniken: Eines Tages könnten mikroskopische Roboter im Körper medizinische Missionen erfüllen – so die Vision. Bei der Entwicklung praktikabler Systeme stehen Wissenschaftler allerdings vor kniffligen Herausforderungen: Die Mikroroboter müssen über Antriebssysteme verfügen, aber dennoch einfach aufgebaut sein, damit sie mit wenig Aufwand und in großer Stückzahl hergestellt werden können. Ein weiterer Aspekt ist die biologische Verträglichkeit und ein rückstandsloser Abbau: Die Gebilde dürfen im Körper keine Immunreaktionen hervorrufen und nach ihrem Einsatz keine problematischen Überbleibsel hinterlassen.

Einige Entwickler setzten deshalb biologische Materialien für die Konstruktion ihrer Mikroroboter ein. Andere nutzen hingegen Funktionseinheiten, die schon komplett von der Natur bereitgestellt werden, als Grundlage für ihre Systeme: Sie kreieren hybride Roboter aus der Kombination von biologischen „Bauteilen“ oder lebenden Organismen mit technischen Elementen. Im aktuellen Fall hat das interdisziplinäre Forscherteam der University of California in San Diego einzellige Algen für seine Entwicklung verwendet. Der interessante Aspekt der Art Chlamydomonas reinhardtii ist dabei neben der einfachen Vermehrung ihr leistungsfähiges Fortbewegungssystem: Die grünen Winzlinge verfügen über zwei schlagende Geißeln, mit denen sie sich in ihrem natürlichen Wasser-Lebensraum effektiv fortbewegen können.

Natürliches Antriebssystem genutzt

Wie Voruntersuchungen der Wissenschaftler zeigten, können sich die Algen auch in Flüssigkeit, wie sie im Bronchialsystem der Lunge vorkommt, effektiv fortbewegen. Um sie in biohybride Mikroroboter für den medizinischen Einsatz in diesem Organ zu verwandeln, haben die Forscher die Körper der Einzeller durch biochemische Verfahren mit Antibiotika-gefüllten Nanopartikeln beschichtet. Diese Behälter bestehen aus Polymersubstanzen, die vollständig biologisch abbaubar sind. In einem entsprechenden Umfeld lösen sie sich dadurch langsam auf, geben nach und nach ihren Inhalt frei und hinterlassen am Ende keine problematischen Rückstände. Außerdem wurden die Nanopartikel mit Zellmembranen von weißen Blutkörperchen beschichtet, um mögliche Reaktionen des Immunsystems einzuschränken.

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Um die erhoffte Wirkung des Konzepts auszuloten, setzte das Team die Algen-Mikroroboter ein, um Mäuse mit einer akuten Form der Lungenentzündung zu behandeln, die durch das Bakterium Pseudomonas aeruginosa verursacht wird. Dieses Testsystem besitzt klinische Relevanz, betonen die Forscher: Solche Infektionen treten häufig bei Patienten auf, die auf der Intensivstation mechanisch beatmet werden müssen. Bei den Versuchen brachte das Team die Mikroroboter über einen eingeführten Schlauch in das Bronchialsystem der von einer akuten Infektion betroffenen Versuchstiere ein und untersuchte die Wirkungen.

Antibiotika effektiv verteilt

Wie sie berichten, klangen die Infektionen durch diese Therapie nach einer Woche vollständig ab: Alle mit den Mikrorobotern behandelten Mäuse überlebten mehr als 30 Tage, während die unbehandelten Mäuse innerhalb von drei Tagen starben. Es waren auch keine problematischen Nebenwirkungen der Behandlung zu verzeichnen, berichtet das Team. Wie sich zudem zeigte, war die Mikroroboter-Therapie deutlich effektiver als eine intravenöse Injektion mit Antibiotika in die Blutbahn. Das liegt daran, dass das innovative Konzept das Medikament genau dorthin bringt und verteilt, wo es benötigt wird, anstatt es im gesamten Körper auszubreiten. Wie die Forscher berichten, erforderte eine intravenöse Behandlung eine Antibiotika-Dosis, die 3000-mal höher war als die in den Mikrorobotern verwendete, um die gleiche Wirkung zu erzielen.

„Bei einer intravenösen Injektion gelangt manchmal nur ein sehr kleiner Teil der Antibiotika bis in die Lunge. Das ist der Grund, warum viele derzeitige Antibiotikabehandlungen für Lungenentzündungen nicht so gut wie nötig wirken, was zu hohen Sterblichkeitsraten bei den kränksten Patienten führt“, sagt Co-Autor Victor Nizet von der University of California in San Diego. „Aus unseren bisherigen Ergebnissen im Mausmodell geht hervor, dass die Mikroroboter auch bei menschlichen Patienten das Eindringen von Antibiotika optimieren könnten, um bakterielle Krankheitserreger besser abzutöten und das Leben zu retten“, so der Wissenschaftler.

Wie das Team abschließend betont, befindet sich das Konzept allerdings noch in einer relativ frühen Entwicklungsphase. Die Forscher werden nun die Wirksamkeit, Sicherheit und das Einsatzpotenzial ihrer Algen-Mikroroboter weiter ausloten, bis Versuche an größeren Versuchstieren und schließlich am Menschen folgen können.

Quelle: University of California in San Diego, Fachartikel: Nature Materials, doi: 10.1038/s41563-022-01360-9

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