很难让药物进入肺部：可呼吸藻类提供了一条新途径

我们的肺部对疾病相当敏感。与大多数其他器官不同，肺部与外界直接接触。当我们吸气时，除了我们需要的氧气外，我们的肺还可以吸收其他物质，包括刺激物、污染物、病毒和细菌，这些物质可能会导致肺炎、支气管炎和癌症等疾病。

幸运的是，我们的呼吸系统有特殊的防御措施来对付这些入侵者。不幸的是，当肺部确实患有这些疾病时，同样的防御措施可能会使直接治疗肺部变得棘手。

首先考虑一种有害物质，如细菌，在到达我们的肺部之前需要做什么。它必须穿过我们鼻子里的小毛发，这些毛发有助于过滤掉灰尘和花粉等较大的物质。然后，它必须逃离我们气管中捕获颗粒的粘液，然后被称为纤毛的细小毛发冲走。

如果细菌挑战并到达肺部，那么它就会面对免疫系统的前线：巨噬细胞。这些专门的细胞正在寻找任何未知的物质，它们会吞噬并摧毁这些物质。

因此，如果我们想让一些东西进入肺部，比如治疗细菌性肺炎等疾病的药物，它必须足够小，才能真正到达肺部，并且足够隐蔽，一旦到达肺部就不会被发现和吃掉。这就像闯入一个防御严密的金库。

这就是为什么目前许多肺部治疗实际上是间接的。医生可能会将药物注射到血液中，就像治疗肺炎的抗生素一样，希望其中一些能到达受感染的肺部。然而，由于它不是直接的，患者注射的药物比治疗实际需要的药物多。这些较高的剂量可能会对身体的其他部位产生副作用。例如，服用更多抗生素治疗肺炎会导致胃痛和腹泻。

但最近，加州大学圣地亚哥分校的化学和纳米工程研究人员破解了密码，直接进入了金库。他们设计了一种小型药物输送车，可以避开所有的防御，深入肺部。

这种突破——有一天可能会成为改变游戏规则的医疗方法——都要归功于联邦资助，这使得研究人员能够超越科幻小说，进入保险库。

微型机器人是微型机器人，通常不到1毫米，而且通常要小得多。当我们想到机器人时，我们可能会想到生产线上的一些金属机器在做一些重复性的任务，这些任务对我们人类来说太具有挑战性、危险性或无聊了。同样，微型机器人——在这项研究中是可生物降解的，不是金属的——被设计成在人类无法轻易或安全到达的小空间里完成任务。

在这种情况下，由加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院李宇峰家族化学与纳米工程系教授、微纳机器人研究领域的世界领先者Joseph Wang共同领导的研究人员正在设计微型机器人，使其能够进入肺部并将药物直接输送到需要的地方。

第一个挑战是找出制造微型机器人的材料。它们需要能够移动，不应该由金属制成，因为金属对肺部有太多的刺激性。因此，出于这些原因，研究人员转向了绿藻。

绿藻是通常生活在水中的植物状生物。它们与植物相似，因为它们通过光合作用制造自己的食物，从而产生氧气。然而，它们没有植物的根或叶子。

某些类型的绿藻是微小的单细胞绿藻，其中一些能够在水中自我推进。它们不像鱼那样游泳，但由于它们的鞭状结构称为鞭毛，它们的运动有限。这是足够的运动，它们可以从巨噬细胞的吞噬中溜走。

此外，绿藻表面缺乏某种结构，通常在细菌和蓝绿藻表面发现。这些结构会引发免疫反应，因此没有它们，绿藻在生物医学应用中更安全。

在这些绿藻上，研究人员可以装载所需的精确药物，如治疗细菌性肺炎的抗生素。这样，研究人员就可以使用微型机器人来运送治疗肺部疾病所需的特定药物。因此，他们在每个微型机器人上撒上了几十个装有药物的微小包装。

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现在研究人员已经发现藻类将是携带所需肺部药物的微型机器人车辆，他们面临着另一个挑战：如何将微型机器人放入肺部。

在发表在《自然通讯》上的最新研究中，研究人员发现，如果他们选择一种足够小的藻类，他们可以将微型机器人放入气溶胶中。所选的藻类非常小，至少有50种藻类可以沿着一根人类头发的宽度前后排列。

在这项研究中，气溶胶是漂浮在空气中的小液体颗粒。当它们被制成理想的大小时，它们可以很容易地通过鼻子或嘴巴的正常呼吸被吸入。在这种尺寸下，它们可以避开鼻子和气管的防御，到达肺部。

接下来，微型机器人会遇到检测入侵者的巨噬细胞。虽然研究小组选择了能够足够快地“游”离巨噬细胞的藻类，但他们也为它们配备了一种可以在雷达下通过的工具：它基本上像隐形斗篷一样工作。

还记得微型机器人的表面有微小的药物包吗？这些“未知物质”本身可能会引发巨噬细胞的警报，从而在到达肺部所有部位之前被破坏。为了避免这种情况，研究人员给这些包上了一层涂层——通常在体内发现的细胞膜，如血小板。

这是由加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院李宇峰家族化学与纳米工程系教授张良芳率先提出的一项战略，也是该研究项目的共同负责人。

这样，当巨噬细胞接触到微型机器人及其包裹的药物时，它们会确定它很熟悉并让它通过。这就像微型机器人卧底一样。

而且由于它们不会被立即检测和销毁，微型机器人可以自由地在肺部均匀分布，运送其有效载荷的药物。最终，随着时间的推移，微型机器人将被免疫系统清除，但不会在它们的工作完成之前。因为它们在肺部长时间保持活跃，微型机器人给它们携带的小包足够的时间来完成任务：释放药物。

到目前为止，这些治疗肺部疾病的微型机器人只在小鼠身上进行过试验。结果很有希望；例如，在最近一项关于小鼠肺炎的研究中，所有用微型机器人治疗的小鼠都存活了下来，而所有用传统方法治疗或根本不治疗的小鼠在三天内死亡。

有了这样的成功，现在可以预见使用与此类似的隐形斗篷设计的微型机器人进行人体临床试验，并且可能会有更多的研究。问问研究人员就知道了。

“随着微机器人基础研究的不断推进，我预计这些技术将逐步走向一系列生物医学应用的临床测试，特别是对于药物的局部和主动输送，”张说。

虽然在过去，用微型机器人呼吸来治疗我们的肺部的想法听起来可能有些牵强，甚至直接来自卡通，但现实是，多年的研究使这成为可能。就像在电影中，角色试图从一个戒备森严的保险库中实施一场大型抢劫一样，其中涉及很多基本的规划和实验。

但努力是有回报的。未来，这些微型机器人可能会被处方给人类。一个关键的优势是，它们可以更有效地治疗这种疾病，因为它们可以在肺部持续几天，从而均匀地输送药物。此外，总剂量较低，因为药物直接进入肺部，而不是通过身体的其他部位。这减少了药物的副作用。

这表明，得益于研究，手机、人工智能和处方微型机器人等看似科幻的东西可以成为现实。p