在過去十年中，微/納米機器人在生物醫學應用中的潛力得到了廣泛的探索。雖然早期的微機器人設計主要由剛性金屬或聚合物結構組成，可用于各種體外應用，但基于生物相容性和可變形材料的新型平臺為體內手術提供了一些獨特的優勢，包括改進的藥物輸送、深部組織成像和精密顯微手術。由于天然燃料的可用性、某些器官和組織的可及性以及潛在毒性的限制，這些微型機器人的體內應用通常受到限制。可生物降解的鋅和鎂基微型機器人已用于胃腸道藥物輸送。磁力驅動的微型機器人已證明能深入玻璃體液并在腹膜腔中驅動。在其他身體部位實現主動推進是困難的，但如果成功，將為重要疾病的治療帶來前所未有的益處。
生物雜化微型機器人結合了自然生物的運動性和合成成分的多功能性，最近被研究作為純合成微型機器人的替代品。例如，沿局部磁場向低氧濃度游動的趨磁細菌 (Magnetococcus marinus) 被用于將藥物運送到缺氧的腫瘤區域。精子的自然運動已被用來構建具有明顯優勢的混合微型機器人輔助受精。
成果簡介
鑒于此，加州大學圣地亞哥分校Joseph Wang和張良方等人創建了一個由萊茵衣藻微藻組成的生物雜化微型機器人，該微藻用中性粒細胞膜包被和載藥的聚合物納米顆粒進行修飾（稱為“藻類納米機器人”），用于肺部感染的體內治療。
天然材料構成
萊茵衣藻(最近被用作合成貨物的微載體，展示了有效的運動和生物相容性。它們可以輕松培養并基于鞭毛跳動 (≥110?μm?s?1)、內在自發熒光、趨光引導和長壽命提供自推進。使用中性粒細胞膜包被的NPs是因為它們具有獨特的細胞模擬特性，包括保護有效載荷免受生物環境影響、減少免疫清除和與目標病原體特異性結合。天然藻類的獨特特性與仿生納米粒子的工程多功能性相結合，產生了一種能夠主動給藥的雜化微型機器人平臺。
為了將微藻轉化為藻類納米機器人，研究人員首先用疊氮基 N-羥基琥珀酰亞胺(NHS) 酯修飾藻類表面，然后通過點擊化學與二苯并環辛炔 (DBCO) 修飾的中性粒細胞膜包覆的聚合物 NPs 結合。這種類型的反應已被用于修飾細胞以用于許多應用。
圖|藻類納米機器人的制備和結構表征
合成得到的藻類納米機器人的運動速度為104.6?±?11.2?μm/s，這與 TAP培養基中裸藻的速度（115.5?±?11.8?μm/s）相似，用NPs 進行修飾對藻類的內在運動行為的影響可以忽略不計，從而允許藻類納米機器人在生理條件下用作主動遞送平臺。
圖|藻類納米機器人的運動行為
肺部滯留至少24小時
研究人員在氣管內給藥后檢查藻類納米機器人的肺分布。利用藻類葉綠體的自發熒光，通過在不同時間點對切除的肺進行離體熒光成像來觀察分布。結果顯示，來自藻類納米機器人的熒光在1?h內滲透到整個肺組織，強信號至少保留24?h。藻類納米機器人的總熒光在 72?h 過程中緩慢下降，并且在 48?h 內顯著高于靜態藻類-NP。總體而言，這些數據表明藻類納米機器人的運動行為大大改善了它們的肺滯留。
圖|藻類納米機器人的肺分布
肺部清除機制-肺泡巨噬細胞攝取
隨后，為了了解為何藻類納米機器人的清除率得以大大降低，作者闡明了巨噬細胞的潛在作用。體外巨噬細胞的攝取實驗驗證了這一點。同樣，未來為了更好地了解體內清除機制，作者在小鼠氣管內給藥后的不同時間點對巨噬細胞攝取進行流式細胞術分析。結果表明肺泡巨噬細胞攝取是肺中藻類的主要清除機制。肺泡巨噬細胞對藻類納米機器人的體內攝取延遲證實了體外研究結果，并可以解釋觀察到的肺滯留增強。
體內治療細菌感染
在眾多適用條件中，研究人員選擇首先測試藻類納米機器人的體內抗生素遞送以治療細菌性肺部感染。具體而言，呼吸機相關性肺炎 (VAP) 是一種急性且可能致命的感染，其特征是在重癥監護病房 (ICU) 環境中開始機械通氣后48小時發病。VAP 是住院患者中最常見的感染之一，影響10%至25%的插管患者，導致相當大的死亡率、ICU 停留時間延長和通氣天數增加。隨著抗生素繼續被濫用且效力減弱，耐多藥病原體（如銅綠假單胞菌）正變得越來越普遍。研究人員假設，在 VAP 實驗模型中，藻類納米機器人系統實現的深層組織滲透和延長藥物保留時間可能有助于肺部抗生素遞送效率。此外，使用銅綠假單胞菌肺部感染的小鼠模型證明了藻類納米機器人的治療效果和安全性。
圖|藻類納米機器人的體內治療功效
小結：
綜上所述，這項工作中描述的生物雜化微型機器人平臺為向通氣ICU患者的肺部主動輸送藥物創造了新的機會。這是由于其在易于大規模生產、在局部環境中自主運動和長壽命、易于體內觀察的固有自發熒光和潛在的靶向功能等方面具有明顯優勢。
盡管如此，還需要進一步的研究來確定該生物雜化微型機器人系統是否可以提供關鍵抗生素來治療 VAP 中的其他重要細菌病原體，包括鮑曼不動桿菌和金黃色葡萄球菌，或者擴展到治療其他ICU 疾病，例如急性呼吸窘迫綜合征（一種并發癥）的病毒性肺炎。未來的研究還將針對臨床銅綠假單胞菌分離物測試藻類納米機器人配方，以評估其普遍適用性。
展望未來，更準確地了解基于藻類的微型機器人如何與免疫系統相互作用，旨在進一步改善它們在肺部的停留時間，這也將是一件有趣的事情。探索不同的遞送方法，例如通過吸入或靜脈注射給藥，或利用藻類固有的趨光特性，可以將平臺的范圍擴大到更廣泛的應用。
參考文獻：
Zhang, F., Zhuang, J., Li, Z. et al. Nanoparticle-modified microrobots for in vivo antibiotic delivery to treat acute bacterial pneumonia. Nat. Mater. (2022).
https://doi.org/10.1038/s41563-022-01360-9
