在过去十年中，微/纳米机器人在生物医学应用中的潜力得到了广泛的探索。虽然早期的微机器人设计主要由刚性金属或聚合物结构组成，可用于各种体外应用，但基于生物相容性和可变形材料的新型平台为体内手术提供了一些独特的优势，包括改进的药物输送、深部组织成像和精密显微手术。由于天然燃料的可用性、某些器官和组织的可及性以及潜在毒性的限制，这些微型机器人的体内应用通常受到限制。可生物降解的锌和镁基微型机器人已用于胃肠道药物输送。磁力驱动的微型机器人已证明能深入玻璃体液并在腹膜腔中驱动。在其他身体部位实现主动推进是困难的，但如果成功，将为重要疾病的治疗带来前所未有的益处。

生物杂化微型机器人结合了自然生物的运动性和合成成分的多功能性，最近被研究作为纯合成微型机器人的替代品。例如，沿局部磁场向低氧浓度游动的趋磁细菌 (Magnetococcus marinus) 被用于将药物运送到缺氧的肿瘤区域。精子的自然运动已被用来构建具有明显优势的混合微型机器人辅助受精。

成果简介

鉴于此，加州大学圣地亚哥分校Joseph Wang和张良方等人创建了一个由莱茵衣藻微藻组成的生物杂化微型机器人，该微藻用中性粒细胞膜包被和载药的聚合物纳米颗粒进行修饰（称为“藻类纳米机器人”），用于肺部感染的体内治疗。

天然材料构成

莱茵衣藻(最近被用作合成货物的微载体，展示了有效的运动和生物相容性。它们可以轻松培养并基于鞭毛跳动 (≥110 µm s⁻¹)、内在自发荧光、趋光引导和长寿命提供自推进。使用中性粒细胞膜包被的NPs是因为它们具有独特的细胞模拟特性，包括保护有效载荷免受生物环境影响、减少免疫清除和与目标病原体特异性结合。天然藻类的独特特性与仿生纳米粒子的工程多功能性相结合，产生了一种能够主动给药的杂化微型机器人平台。

为了将微藻转化为藻类纳米机器人，研究人员首先用叠氮基 N-羟基琥珀酰亚胺(NHS) 酯修饰藻类表面，然后通过点击化学与二苯并环辛炔 (DBCO) 修饰的中性粒细胞膜包覆的聚合物 NPs 结合。这种类型的反应已被用于修饰细胞以用于许多应用。

图|藻类纳米机器人的制备和结构表征

合成得到的藻类纳米机器人的运动速度为104.6 ± 11.2 µm/s，这与 TAP培养基中裸藻的速度（115.5 ± 11.8 µm/s）相似，用NPs 进行修饰对藻类的内在运动行为的影响可以忽略不计，从而允许藻类纳米机器人在生理条件下用作主动递送平台。

图|藻类纳米机器人的运动行为

肺部滞留至少24小时

研究人员在气管内给药后检查藻类纳米机器人的肺分布。利用藻类叶绿体的自发荧光，通过在不同时间点对切除的肺进行离体荧光成像来观察分布。结果显示，来自藻类纳米机器人的荧光在1 h内渗透到整个肺组织，强信号至少保留24 h。藻类纳米机器人的总荧光在 72 h 过程中缓慢下降，并且在 48 h 内显着高于静态藻类-NP。总体而言，这些数据表明藻类纳米机器人的运动行为大大改善了它们的肺滞留。

图|藻类纳米机器人的肺分布

肺部清除机制-肺泡巨噬细胞摄取

随后，为了了解为何藻类纳米机器人的清除率得以大大降低，作者阐明了巨噬细胞的潜在作用。体外巨噬细胞的摄取实验验证了这一点。同样，未来为了更好地了解体内清除机制，作者在小鼠气管内给药后的不同时间点对巨噬细胞摄取进行流式细胞术分析。结果表明肺泡巨噬细胞摄取是肺中藻类的主要清除机制。肺泡巨噬细胞对藻类纳米机器人的体内摄取延迟证实了体外研究结果，并可以解释观察到的肺滞留增强。

体内治疗细菌感染

在众多适用条件中，研究人员选择首先测试藻类纳米机器人的体内抗生素递送以治疗细菌性肺部感染。具体而言，呼吸机相关性肺炎 (VAP) 是一种急性且可能致命的感染，其特征是在重症监护病房 (ICU) 环境中开始机械通气后48小时发病。VAP 是住院患者中最常见的感染之一，影响10%至25%的插管患者，导致相当大的死亡率、ICU 停留时间延长和通气天数增加。随着抗生素继续被滥用且效力减弱，耐多药病原体（如铜绿假单胞菌）正变得越来越普遍。研究人员假设，在 VAP 实验模型中，藻类纳米机器人系统实现的深层组织渗透和延长药物保留时间可能有助于肺部抗生素递送效率。此外，使用铜绿假单胞菌肺部感染的小鼠模型证明了藻类纳米机器人的治疗效果和安全性。

图|藻类纳米机器人的体内治疗功效

小结：

综上所述，这项工作中描述的生物杂化微型机器人平台为向通气ICU患者的肺部主动输送药物创造了新的机会。这是由于其在易于大规模生产、在局部环境中自主运动和长寿命、易于体内观察的固有自发荧光和潜在的靶向功能等方面具有明显优势。

尽管如此，还需要进一步的研究来确定该生物杂化微型机器人系统是否可以提供关键抗生素来治疗 VAP 中的其他重要细菌病原体，包括鲍曼不动杆菌和金黄色葡萄球菌，或者扩展到治疗其他ICU 疾病，例如急性呼吸窘迫综合征（一种并发症）的病毒性肺炎。未来的研究还将针对临床铜绿假单胞菌分离物测试藻类纳米机器人配方，以评估其普遍适用性。

展望未来，更准确地了解基于藻类的微型机器人如何与免疫系统相互作用，旨在进一步改善它们在肺部的停留时间，这也将是一件有趣的事情。探索不同的递送方法，例如通过吸入或静脉注射给药，或利用藻类固有的趋光特性，可以将平台的范围扩大到更广泛的应用。

参考文献：

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