생분해성 고분자 나노입자(갈색)로 덮인 조류 세포(녹색)로 만든 폐렴 퇴치 마이크로로봇의 컬러 SEM 이미지. 나노입자는 항생제를 함유하고 있으며 호중구 세포막으로 코팅되어 있습니다. 크레딧: Fangyu Zhang 및 Zhengxing Li

University of California San Diego의 나노공학자들은 폐에서 헤엄치고 약을 전달하고 생명을 위협하는 세균성 폐렴 사례를 치료하는 데 사용할 수 있는 마이크로로봇이라고 하는 미세한 로봇을 개발했다.

마우스에서 마이크로 로봇은 폐에서 폐렴을 유발하는 박테리아를 안전하게 제거하여 100% 생존을 달성했다. 대조적으로, 처리되지 않은 마우스는 감염 후 3일 이내에 모두 사망했다.

결과는 9월 22일 Nature Materials 에 게재되었다 .

마이크로로봇은 표면이 항생제로 채워진 나노입자로 얼룩져 있는 조류세포로 만들어졌다. 조류는 움직임을 제공하여 마이크로 로봇이 헤엄쳐 다니며 폐의 더 많은 박테리아에 항생제를 직접 전달할 수 있다. 

항생제를 함유한 나노입자는 백혈구의 일종인 호중구의 세포막으로 코팅된 작은 생분해성 고분자 구체로 이루어져 있다. 이 세포막의 특별한 점은 박테리아와 신체의 면역 체계가 생성하는 염증 분자를 흡수하고 중화한다는 것이다. 이것은 마이크로로봇에게 유해한 염증을 줄이는 능력을 부여하여 폐 감염 과 싸우는 데 더 효과적이다.

이 작업은 UC 샌디에고 제이콥스 공과대학 나노공학교수 Joseph Wang과 Liangfang Zhang의 연구실 간의 공동 노력입니다. Wang은 마이크로 및 나노로봇 연구 분야의 세계적인 리더이고 Zhang은 감염 및 질병 치료를 위한 세포 모방 나노입자 개발의 세계적인 리더이다. 그들은 함께 살아있는 동물에서 위장과 혈액의 세균감염을 치료하는 데 안전하게 사용할 수 있는 작은 약물 전달 로봇의 개발을 개척했다. 세균성 폐 감염을 치료하는 것은 그들의 작업 라인에서 가장 최신이다.

Zhang은 "우리의 목표는 폐와 같은 신체의 더 어려운 부분에 표적 약물을 전달하는 것입니다. 그리고 우리는 안전하고, 쉽고, 생체에 적합하고, 오래 지속되는 방식으로 하고자 합니다."라고 말했습니다. "그것이 우리가 이 작업에서 보여준 것입니다."

연구팀은 마이크로로봇을 사용해 녹농균( Pseudomonas aeruginosa ) 박테리아로 인한 급성 및 치명적인 형태의 폐렴에 걸린 쥐를 치료했다. 이 형태의 폐렴은 일반적으로 중환자실에서 기계 환기를 받는 환자에게 영향을 미친다. 연구자들은 기관에 삽입된 튜브를 통해 쥐의 폐에 마이크로 로봇을 투여했다. 감염은 일주일 후에 완전히 사라졌습니다. 마이크로로봇을 처리한 모든 마우스는 30일 이상 생존한 반면, 처리하지 않은 마우스는 3일 이내에 사망했다.

마이크로로봇을 사용한 치료는 항생제를 혈류에 IV 주사하는 것보다 더 효과적이었다. 후자는 동일한 효과를 얻기 위해 마이크로 로봇에 사용된 것보다 3000배 더 많은 항생제를 사용해야 했다. 비교를 위해 마이크로로봇의 투여량은 마우스당 500나노그램의 항생제를 제공한 반면, IV 주사는 마우스당 1.644밀리그램의 항생제를 제공했다.

이 팀의 접근 방식은 약물을 신체의 나머지 부분을 통해 확산시키는 대신 필요한 곳에 바로 배치하기 때문에 매우 효과적이다.

"이러한 결과는 미세조류로부터의 능동적 움직임과 결합된 표적 약물 전달이 치료 효능을 향상시키는 방법을 보여줍니다"라고 Wang은 말했다.

"IV 주사를 사용하면 때때로 아주 적은 양의 항생제만 폐에 들어갈 수 있다. 그렇기 때문에 현재 폐렴에 대한 많은 항생제 치료가 필요만큼 잘 작동하지 않아 가장 아픈 환자의 사망률이 매우 높습니다"라고 말했다. UC 샌디에이고 의과대학 및 Skaggs 약학대학 교수인 Victor Nizet은 이 연구의 공동저자이자 Wang과 Zhang의 의사-과학자 협력자이다. "이러한 마우스 데이터를 기반으로 우리는 마이크로 로봇이 잠재적으로 항생제 침투를 개선하여 박테리아 병원체를 죽이고 더 많은 환자의 생명을 구할 수 있음을 알 수 있습니다."

그리고 폐에 조류 세포를 넣는 생각이 당신을 불안하게 만든다면 연구원들은 이 접근 방식이 안전하다고 말한다. 치료 후 신체의 면역 세포는 남아 있는 나노 입자와 함께 조류를 효율적으로 소화합니다. 왕은 "유해한 것은 하나도 남지 않는다"고 말했다.

작업은 아직 개념 증명 단계에 있습니다. 팀은 마이크로 로봇이 면역 체계와 상호 작용하는 방식을 정확히 이해하기 위해 보다 기본적인 연구를 수행할 계획이다. 다음 단계에는 마이크로로봇 치료를 검증하고 더 큰 동물과 궁극적으로 인간을 대상으로 테스트하기 전에 규모를 확대하는 연구도 포함된다.

Zhang 은 "우리는 표적 약물전달 분야의 경계를 더욱 넓히고 있습니다."라고 말했다.

연구 논문의 제목은 "급성 세균성 폐렴을 치료하기 위한 생체 내 항생제 전달을 위한 나노입자 변형 마이크로로봇"이다.