磁场控制下的细菌微型机器人用于药物的精准递送

  摘要：细菌生物杂交体由携带微/纳米材料的细菌组成，可以在磁场控制下将其有效传递到特定区域，为微创医学带来新的前沿。然而，目前的细菌生物杂交设计缺乏高通量和便捷的结构和有利的药物，因此在推进、有效载荷效率、组织渗透和时空操作方面表现不佳。为此，报道了磁控细菌生物杂交体在三维(3D)生物基质中的靶向定位和多刺激反应药物释放。将磁性纳米颗粒和载有光热剂和化疗分子的纳米脂质体与大肠杆菌结合，其效率约90%。细菌生物杂交体，优于先前报道的大肠杆菌为基础的微型机器人，保留了它们最初的运动能力，能够在生物基质中导航，并在磁场下定殖在肿瘤组织处，通过近红外刺激按需释放药物分子。因此，该工作提供了一个多功能的微型机器人平台，在三维生物网络中引导运动和刺激响应传递治疗的各种医疗应用。

细菌生物杂交体的构建以及在磁场控制下的定向移动概念示意图

  图A阐述了携带有光热剂和药物分子的脂质体(NLs)与磁性纳米颗粒(mNPs)通过生物素-链霉亲和素体系连接在大肠杆菌表面，插图显示了携带mNPs和NLs的细菌生物杂交体的SEM图像;图B流式细胞仪密度图显示细菌生物杂交体成功的构建;图C描绘了在磁引导下细菌生物杂交微型机器人通过多孔微环境的目标组织。

  负载阿霉素(DOX)和吲哚菁绿(ICG)的NLs的合成与表征

  图A描述了DOX和ICG装载于脂质体中的过程;图B显示脂质体装载前后紫外吸收的变化，插图为装载前后溶液颜色的改变;图C是其粒径的变化;图D为不同比例的ICG NLs在近红外照射下的红外热像图和温度分布;图E代表了ICG-DOX NLs在37℃、43℃和55℃和近红外照射后5小时内NIR驱动的累积药物释放谱，在升高的温度下(>43℃)，脂质膜开始分解并变得可渗透，诱导DOX释放;图F为不同pH下DOX NLs在10天内的累积药物释放谱。低pH触发膜破坏和释放DOX分子

  磁性细菌生物杂交体的运动特性、外磁控制和肿瘤球形定位

  图A表示外加磁场或不外加磁场时游离菌及细菌生物杂交体的二维游动速度分析;图B通过改变施加磁场(10 mT)方向90°转弯的细菌生物杂交体的磁性控制。B表示磁场矢量;图C显示外磁场控制下细菌生物杂交种的二维游动轨迹;图D为带有三个储层的磁引导装置，其中两个储层含有肿瘤球体，并且沿x轴创建一个永久磁铁设置;图E为肿瘤球体在储层中的示意图和显微图像;图F是一种微流体系统，具有分支通道和两个储层(i和ii)，每个储层中有一个肿瘤球体。在储层ii旁放置一个小型永磁体，产生磁场梯度;图G是相对应的肿瘤球体在储层中的示意图和显微图像。

  上述结果证明了细菌生物杂交体具有向实体肿瘤迁移的便捷和有效的外部控制潜力。

  磁性排列细菌生物杂交体对胶原蛋白凝胶的侵入

  为了测试和证明细菌生物杂交体对健康组织和肿瘤组织局部细胞外基质的组织渗透和侵袭能力，在恒定磁场对齐下进行了细菌生物杂交种的三维基质侵袭实验。

  图A的实验装置示意图显示不同硬度的3D胶原蛋白凝胶在组织培养板的一侧交联。永磁体产生均匀的磁场(26mT)，将细菌生物杂交体持续导向胶原蛋白凝胶;图B显示的是37℃下胶原凝胶交联动力学研究;图C为不同交联pH值的3D胶原凝胶的SEM图像;图D为胶原蛋白凝胶区域与细菌生物杂交体过夜孵育后，有磁场和没有磁场的明场光学显微镜图像;图E显示三种不同胶原蛋白凝胶在磁场或不磁场孵育一夜后细菌生物杂交体的定量;图F显示均匀磁场下过夜后三种不同胶原蛋白凝胶内细菌生物杂交种的定量。

  研究结果表明，在恒定的磁场排列下，细菌生物杂交体可以穿透并在封闭多孔的生物微环境中移动。此外，证明了凝胶的硬度和孔隙度决定了细菌在有限空间内的定植，与更硬、更少孔隙的胶原蛋白凝胶相比，更多的细菌生物杂交体穿透和聚集在柔软和多孔的胶原蛋白凝胶中。

  细菌生物杂交体NIR驱动的药物释放和肿瘤球体摄取药物

  图A描述了携带刺激响应ICG-DOX NLs的细菌生物杂交体定位在肿瘤球体上，并在近红外刺激下释放其载荷。NLs将光能转化为热量，进而促使磷脂解体，最终触发DOX分子的释放;图B通过将肿瘤球体与细菌生物杂交体共培养，并用近红外光照射共培养装置，实现了对HT-29肿瘤球体的DOX传递;图C为共聚焦显微镜图像的3D视图显示近红外照射24小时后肿瘤球体细胞内的DOX摄取。图D显示游离细菌、携带DOX NLs的细菌生物杂交种和携带ICG-DOX NLs的细菌生物杂交种在近红外照射或不照射下的荧光强度;图E为携带ICG-DOX NLs的细菌生物杂交体在近红外照射和未照射下对HT-29肿瘤球体的活/死活力染色。绿色和红色分别表示活细胞和死细胞。

  上述实验结果通过刺激响应和光热激活脂质体药物传递机制，展示了局部和外部刺激触发的抗癌治疗药物的按需释放，呈现出一个与细菌生物杂交的活跃传递平台。

  结论

  1、随着温度的升高，当超过43℃时，脂质体膜开始瓦解并变得可渗透，导致DOX释放；

  2、低pH触发膜破坏并且释放DOX分子；

  3、细菌生物杂交体具有向实体肿瘤迁移的便捷和有效的外部控制潜力；

  4、在磁场下增强细菌生物杂交体对三维生物基质的渗透；

  5、光热活性细菌生物杂交体的设计，可以在三维肿瘤球体中按需的释放由NIR触发的治疗药物，最大限度的减少不必要的分子泄露，从而实现了比被动系统更有效的治疗效益。

  因此，该工作提供了一个多功能的微型机器人平台，在三维生物网络中引导运动和刺激响应传递治疗的各种医疗应用。

  参考文献：

  Akolpoglu M B, Alapan Y, Dogan N O, et al. Magnetically steerable bacterial microrobots moving in 3D biological matrices for stimuli-responsive cargo delivery. Science advances, 2022, 8(28): eabo6163. DOI：10.1126/sciadv.abo6163.