Science Robotics：打着旋儿的纳米机器人！
小奇
2022-11-14
基于生物或者化学动力的混合纳米机器人的开发在近年逐渐成为了研究热点，尤其是今年，包括但是不限于Nature Materials、Science Robotics、Advanced Materials等顶刊上发表了多篇相关工作。这些纳米机器人的共同点在于能够推动自己，自主响应生化线索并携带有效载荷量的治疗药物。对于生物动力的纳米机器人而言，以细菌为载体是一种主要研究思路。因为它们具有免疫调节能力以及某些细菌菌株表现出的先天性肿瘤归巢和优先定植能力。生物混合纳米机器人的设计旨在通过对外部刺激响应，进而实现体外对其无线控制。其中，磁场控制因为具有深层组织渗透能力和临床安全性而备受关注。尽管基于磁性细菌的微型机器人是有前途的药物递送剂，但到目前为止，鉴于它们的磁性控制策略的限制，它们的临床转化潜力也受到限制。将它们吸引到目标位点的静态场梯度存在根本的缺点，特别是在深部肿瘤的背景下。使用静态磁场本质上依赖于纳米机器人相对于目标位点的位置信息。因此，这种控制策略不适合全身注射，因为这会导致微型机器人在体内分散分布。为了克服上述静态梯度磁场驱动磁性纳米机器人的种种缺陷。近日，瑞士苏黎世联邦理工大学S Schuerle教授率领其团队提出了基于一种磁力矩驱动的细菌纳米机器人，用于实现高效的跨生物屏障运输。该细菌纳米机器人基于一种混合驱动策略，利用磁力矩驱动与细菌自主运动，以增强磁螺旋杆菌AMB-1携带脂质体（MTB-LP）对肿瘤的渗透能力。与静磁场刺激不同，均匀旋转磁场（RMF）可以在临床尺度下实现对纳米机器人的系统性控制。RMF的驱动策略增加了MTB的屏障穿透能力。RMF驱动可以实现磁性纳米机器人的同时驱动和感应检测，可用于实时监控和闭环操作优化。同时可以通过静磁场叠加来实现RMF驱动的空间选择性。RMF可增强细菌纳米机器人位移并提供独特的控制优势：研究基于磁力矩的运动是否可以增强MTB对生物屏障的渗透，利用Transwell实验进行评价。与皿内RMF和DMF相比，皿外RMF显着提高了MTB的穿透力，同时MTB的渗透并未破坏屏障结构。与没有磁暴露的对照相比，频率在 1 到 20 Hz 之间的皿外驱动始终导致更高的渗透。与DMF或梯度磁场不同，RMF可同时驱动和监测MTB，从而能够在操作期间调整参数，以改善定位和渗透。当暴露在RMF下时，MTB的整体磁矩随时间而波动变化，从而可以测量周围环路中产生的感应电压。MTB的磁化强度相对于RMF发生相移，反映了细菌磁响应的相位滞后。将实验数据与分析数据进行比较，以评估MTB产生的检测信号是否表现出预测特性。受磁粉成像（MPI）中门控场运用的启发，叠加静磁场最近已被证明是一种控制策略。通过静态磁场抑制非目标位点的磁力矩，而其余区域仍然可以被RMF驱动。总之，这些研究表明，与其他控制策略、相比，RMF可能为无线控制的微型机器人运输提供独特的优势。图 RMF 增强位移，并实现了对 MTB 的感应检测和靶向控制鉴于RMF对MTB跨细胞屏障作用的影响显著，作者团队试图使用COMSOL Multiphysics中的计算模型来解释穿透增强的机制。近期研究表明，内皮在动态机械作用下形成间隙，这独立于癌症或免疫细胞迁移的影响。将细胞-细胞接触的随机间隙形成纳入模型中，以解释内皮细胞的动力学。模型显示，暴露于DMF的MTB中只有6.6%越过了屏障，而暴露于RMF的MTB中有20%越过了屏障。在DMF的静态条件下，细菌只有在最初接近细胞-细胞连接时才穿过单层。相比之下，RMF下的MTB沿着单层平移，这使得细菌能够探索模型单层表面并增大了通过细胞间间隙的概率。总体而言，这些发现证明了，基于磁力矩的平移运动引起的细菌对内皮屏障表面探索是促进MTB穿透增强的主要机制。进一步研究体外血管穿透模型。在Transwell上室培养人微血管内皮细胞（HMEC-1），用于模拟静脉内给药后将遇到的内皮屏障。MTB-LP复合物作为靶向药物递送的活体纳米机器人，整合了传统治疗性纳米载体的适应性和磁性载药平台的功能。MTB-LP添加到Transwell上室并施加皿外RMF1小时。与DMF相比，皿外RMF驱动使MTB-LP穿透高了4.6倍。暴露于DMF的MTB-LP浓度与无磁场处理的对照组相当。进行了跨内皮电阻测量和LY排斥试验，发现MTB穿透不会影响单层完整性。在证明了RMF可以增强MTB的穿透单层内皮屏障能力后，接下来在人乳腺癌（MCF-7）肿瘤球模型中检MTB-LP对肿瘤渗透的能力。MCF-7细胞中高水平的E-钙粘蛋白表达有助于形成强烈的细胞-细胞粘附，使其成为模拟难以穿透肿瘤的理想模型。肿瘤的共聚焦图像显示，MTB-LP偶联物在RMF驱动后能够渗透进入到无血管球体的深层区域，并且荧光强度随着深度的增加而增加。与对照组相比，RMF驱动组的荧光强度值始终较高，荧光峰值出现在80 μm处。对于80 μm深度肿瘤切片的强度分布曲线显示，与对照相比，驱动组中MTB-LP的分布存在明显的集中趋势。相比之下，驱动组的总体荧光强度值更高，肿瘤球中心区域的荧光信号更高。进一步研究MTB-LP随时间推移在肿瘤定植情况。120小时后，驱动组和对照组在球体内均可检测到MTB。此外，随着时间推进MTB的分布范围变窄。这种积累增强可能归因MTB倾向缺氧环境，并自发向肿瘤球中心缺氧部位移动。总体而言，这些发现表明，磁力矩驱动与基于细菌缺氧环境亲和的靶向相结合，导致该平台强大的肿瘤定植效能。图 基于RMF驱动增强了3D肿瘤球中MTB的药物递送在RMF驱动体外实验结果的激励，接下来通过小鼠模型研究实际生物体内的RMF驱动的MTB治疗效果。基于MTB使用全身给药，因此磁场不能在肿瘤部位有意义地施加。不论是RMF组还是阴性对照组，肿瘤中均检测到荧光信号，表明细菌自发的在肿瘤中积累。与对照相比，暴露于RMF的肿瘤小鼠的信号高出3.16倍。除肝脏外，在大多数主要器官中检测到非常低的信号。将收获的肿瘤匀浆并放入MTB培养基中。8天后，所有管中都存在磁响应的颗粒，表明肿瘤匀浆含有活MTB。同时收获的细菌悬浮液均表现出磁响应性。对肿瘤进行组织切片，在肿瘤中约1mm深度处收集的切片显示驱动组的MTB渗透更明显。与对照相比，暴露于RMF的样品的总体信号更高。连续横向肿瘤切片的平均荧光强度总和显示，驱动组递送的MTB量比对照高2.1倍。这些结果与体外实验结果相呼应，证明了磁力矩驱动在增强肿瘤药物递送方面的潜力。生物混合纳米机器人与特定的控制策略相结合时，有效增强肿瘤定植，大大改善细菌癌症治疗的临床可转化性前景。使用磁场增强磁响应性纳米机器人治疗的努力通常依赖于强大的静态场梯度将药物载体吸引到目标位点。这种方法具有内在的局限性，缩小了其临床转化的潜力。磁场随着与偶极子距离的立方而减小，并且静磁场梯度减小得更快。这意味着满足临床需求的静态磁场将脱离现实情况。相反，RMF可以实现临床相关尺度上应用，有着更好的临床转化前景。磁力矩驱动的运动与基于氧梯度细菌自主运动，被证明是一种高效的混合控制策略，用于增强活体纳米机器人跨越各种生物屏障的运输。在两种体外模型中，由应用RMF驱动的穿透明显优于DMF和阴性对照。计算模型表明，磁力矩驱动的平移运动导致MTB对细胞表面探索的增加，是引发穿透增强的主要机制。该策略的体外结果可以在体内高度复杂的生物环境中复制。对于暴露于RMF的肿瘤，可以实现全身给药的MTB显着积累。鉴于这种MTB菌株在静脉注射后仍然可实现治疗目的，未来的研究可以纳入更长的时间点，以促进基于氧梯度自主运动在肿瘤核心中的积累，以及从脱靶部位进一步清除细菌。T Gwisai, N Mirkhani, M G Christiansen, et al. Magnetic torque-driven living microrobots for increased tumor infiltration. Sci Robot. 2022 Oct 26;7(71):eabo0665.https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/scirobotics.abo0665
