Фотокаталитические микророботы проникают сквозь гнойные отложения в носовых пазухах и борются с синуситом

Лечение ряда бактериальных инфекций осложняется тем, что их возбудители способны формировать в организме пациента биопленки, которые защищают их от антибиотиков и иммунной системы. Один из перспективных подходов к лечению таких инфекций — микророботы для направленного уничтожения биопленок. Однако их применение тоже сталкивается с препятствиями, такими как вязкий гной и слизистые выделения в очаге инфекции или ограничения в количестве антибактериального препарата, который можно загрузить в микроробота. Для преодоления этой трудности ученые из Китая создали фотокаталитических микророботов на магнитном управлении, которые выделяют активные формы кислорода в биопленку и уничтожают патогенных бактерий.

В качестве модельного заболевания исследователи выбрали синусит. Его возбудитель — Streptococcus pyogenes — инфицирует слизистую оболочку пазух и вызывает воспаление, которое сопровождается густыми гнойными выделениями из носа, нарушением обоняния, болезненностью лица, а иногда и ухудшением памяти.

Также ученые рассудили, что у активных форм кислорода (АФК) есть серьезные преимущества перед антибиотиками — они не приводят к антибиотикорезистентности и не вызывают нагрузку на печень. Для доставки АФК применили микророботов, собранных из оксида-иодида висмута (BiOI) в комплексе с оксидом железа Fe₃O₄ и единичными атомами меди. Структуры такого состава способны к фотокатализу, то есть позволяют генерировать АФК под действием света, и могут управляться магнитным полем. Для точного контроля выработки АФК и синхронизации «роя» микророботов ученые применили оптоволокно.

Сначала авторы разработки подтвердили, что рой управляемых микророботов способен уничтожать бактериальные пленки in vitro. Опыты проводили на Escherichia coli и Staphylococcus aureus. В темноте фотокатализаторы (BiOI) были малотоксичны для бактерий, а при облучении видимым светом выживало 41,2% E. coli и 36,5% S. aureus. Выживаемость бактерий в присутствии микророботов снизилась до менее чем 1%, что свидетельствует о синергетическом антибактериальном эффекте между отдельными атомами меди, фотокаталитической активностью BiOI и движением микроробота в магнитном поле, которое способствует распространению АФК в биопленке.

Модельными животными для опытов in vivo стали кролики. В верхнечелюстную пазуху животным вводили суспензию S. aureus, а после пяти дней развития бактериальной инфекции и начинали лечение микророботами. Рой микророботов должен преодолеть барьер, образованный гноем и слизью, чтобы достичь слизистой оболочки пазух и удалить биопленку. Движение микророботов в пазухах регистрировали с помощью компьютерной томографии (КТ) — наблюдение подтвердило, что под контролем оптоволокна и магнитного поля рой преодолел препятствие и достиг поверхности верхнечелюстной пазухи. Перемещение заняло 220 секунд. При этом на биопленки, сформированные S. aureus, действовали механические силы — они связаны с движением микророботов — и генерируемые под действием видимого света АФК. Биопленки теряли вязкость, что облегчило работу реснитчатому эпителию дыхательных путей — его функция при таком лечении восстановилась, и убитые клетки патогена выводились из организма кроликов.

Анатомические и гистологические исследования показали, что лечение фотокаталитическими микророботами снизило воспаление, вызванное инфекцией. Это подтвердил и анализ периферической крови животных.

Авторы заключают: разработанная антимикробная платформа, которая синергетически сочетает в себе точную навигацию микророботов и фотокаталитическую генерацию АФК в качестве антибактериального агента, позволяет целенаправленно уничтожать биопленки патогенов в пораженном организме.

Самодвижущиеся наноботы уменьшили опухоль мочевого пузыря почти на 90%