口服胃肠道给药由于其患者依从性高，无创性，简单性和低成本，一直是药物给药最广泛使用的方法之一。尽管口服药物制剂具有潜在的优势，但在胃肠道内仍面临一些障碍，包括药物在胃液的稳定性差，以及与肠道内壁的相互作用有限。而微马达代表的一类纳米机器人使用是主动运输药物到特定部位的一种有希望和有效的方法。各种合成微马达，能够推进到体内难以到达的位置，用于活性药物输送和其他生物医学应用，包括生物传感和显微外科手术。基于化学反应的微马达虽然可以有效提高输送效率，但其使用寿命较短，限制了它们的滞留能力，从而导致药物生物利用度降低。为了解决这一限制，需要开发具有改进特性的基于活性微运动的胃肠道药物递送系统。

近日，美国圣地亚哥分校的特聘教授Joseph Wang和张良方教授等人9月份在Nature materials（Joseph Wang/张良方教授最新Nature Materials！）发表蓝衣藻载药纳米机器人用于细菌性肺炎治疗的相关工作后，仅仅一周后，他们又在Science Robotics上发表了载药蓝藻纳米机器人胶囊用于胃肠道疾病治疗的工作。这是一种基于藻类的高效运动平台，该平台利用天然微藻在肠液中的快速和持久的游泳行为来延长药物胃肠道内的局部潴留。

设计理念：

作者团队选蓝衣藻C. reinhardtii作为在胃肠道中主动递送的纳米机器人，因为它具有许多有吸引力的特性，包括细胞相容性，在各种水环境中具有良好的适应性和运动性，高丰度的可用于功能化的表面基团，以及易于在体内跟踪的自发荧光。为了保护藻类马达免受恶劣的胃环境的影响，将它们嵌入一个胶囊内以实现保护，该胶囊的内部为疏水涂层来储存维持藻类活力的水溶液，其外部为pH响应型肠溶聚合物涂层。从胶囊中释放出来后，藻类在肠液中显示出稳定的运动，并且在体温下保持运动超过12小时。这种长时间的运动其搭载阿霉素（Dox）在肠道分布得到显着改善，并且延长了Dox的滞留时间。

图|示意图

模拟肠液中蓝衣藻纳米机器人的微运动：

首先研究了蓝衣藻的运动特性，并将它们与先前报道的Mg马达的运动特性进行了比较。在模拟肠液（SIF）中，蓝衣藻纳米机器人表现出约120μm / s的稳定速度曲线，持续至少12小时。这种运动行为归因于藻类鞭毛的协调、持续运动。而Mg马达在推进过程中的快速溶解和耗竭，最后在15min之后停止运动。

为了证明它们具有药物递送的潜力，用两种不同的药物负载在蓝衣藻纳米机器人上：荧光染料和聚合物纳米颗粒（NPs）。绿色染料荧光素化学共轭到藻类表面，对藻类进行荧光跟踪。从100个单独的藻类计算的中位速度几乎与未修饰的藻类相同。同样，红细胞（RBC）膜包被的聚乳酸-共乙醇酸（PLGA）NPs通过点击化学与藻类相连。同样的NP负载的纳米机器人在SIF中表现出相似的游泳模式和速度分布曲线。这里的数据证实，从小分子到NP的不同有效载荷可以成功地加载到藻类马达上，而不会影响它们的推进特性，进一步突出了基于藻类的运动马达系统的主动递送药物潜力。

图 室温下SIF中藻马达和镁马达的运动性。

将蓝衣藻纳米机器人配制成胶囊：

为了有效地使蓝衣藻纳米机器人输送到胃肠道，有必要克服胃的恶劣酸性环境，这种环境可以在藻类到达小肠之前降解它们。为了解决这个问题，作者团队改进了一种商业胶囊，将活的藻类封装在内部水性培养基中，以便安全地通过胃。胶囊的外表面涂有pH响应聚合物，通常用于保护口服药物免受恶劣的胃酸条件的影响。

进一步研究藻类在修饰胶囊中的封装及其在体外释放。将藻类悬浮在三醋酸磷酸酯（TAP）培养基中，并加载到胶囊中。在荧光显微镜下，观察到两个涂层的强信号以及藻类的自发荧光，证实了藻类马达成功封装到制造的胶囊平台中。在模拟胃液（SGF）中，证明没有藻类从胶囊中释放出来，而藻类马达可以在SIF中随着时间的推移而释放。在SIF中，大部分藻类在45分钟后被释放，释放的藻类总数达到9.15×10⁵。这些数据表明，藻类马达可以被有效地封装，然后从修饰的胶囊中释放出来，对其运动能力的影响可以忽略不计。

图 像在体外胶囊中加载和释放蓝衣藻纳米机器人

蓝藻纳米机器人的胃肠道运动与分布：

接下来，评估体外条件下藻类马达在胃肠道内的递送能力。首先，模仿肠道的生理条件，在SIF中37℃下评估藻类马达和Mg马达的运动行为。蓝衣藻的活性在37℃下会受到影响，运动速度在自推进的15分钟内下降到83μm/s，12小时后进一步下降。在实验终点，大约70%的藻类保持运动，表明即使在不利的条件下，它们也可以长时间存活。

在体外试验之后，评估以胶囊形式口服时藻类马达的体内生物分布和保留。将藻类马达和Mg马达嵌入保护胶囊并强饲，在小鼠体内对其胃肠道进行成像。相比Mg马达狭窄分布的荧光信号，藻类马达的信号在肠道中分布更加的广泛。观察到的生物分布差异表明，藻类具有持久的运动特性，可以有效地在胃肠道内局部传递药物有效载荷。

图 藻类马达和Mg马达在胃肠道中的分布比较

蓝衣藻纳米机器人胶囊的体内药物递送：

为了更好地了解藻类运动在小肠内改善生物分布和滞留的机制，将不同状态的蓝衣藻用于载药，包括仅含培养基的胶囊，没有胶囊的游离藻类和含静态藻类的胶囊。在口服给药后5小时，与包封静态藻类的胶囊相比，输送藻类马达的胶囊可以更广泛地促进药物分布在肠道中。这一结果强调了自推进的重要性，这可能有助于增加藻类与肠壁的相互作用，从而导致增强的保留。此外，在给予游离藻类后，肠道中几乎没有观察到任何信号，这表明使用胶囊来防止刺激性胃酸的必要性。

图 胃肠道输送不同藻类马达

作者团队接下来探讨了使用藻类马达在小鼠胃肠道递送药物的可行性。Dox是一种常用的一线化疗药物，被选为模型药物有效载荷。通过点击化学将PLGA-NP（Dox）与蓝衣藻相交联，在加载到藻类马达上后，NP（Dox）有效载荷并保持其细胞毒性活性，藻类-NP（Dox）可以在体外抑制B16F10黑色素瘤细胞系的生长。

然后将藻类-NP（Dox）和NP（Dox）都装入保护胶囊中，施用后提取肠道以量化Dox浓度。与用NP（Dox）给药的小鼠的组织匀浆相比，接受藻类-NP（Dox）的小鼠在测试的所有时间点都表现出显着更高的药物水平。这些数据进一步支持了使用藻类马达介导的长期自推进，可以有效增强小肠疾病治疗中药物的有效递送和延长滞留。未来的研究将侧重于评估藻类马达在药物递送中的潜力，以治疗合适动物模型中的疾病，例如炎症性肠病和细菌性胃肠炎。

图 药物负载的藻类马达表征

蓝衣藻纳米机器人胶囊的体内毒性评价：

对于微生物载体的应用，其体内安全性的评价至关重要。在给药后24小时后，接受蓝衣藻纳米机器人胶囊治疗的小鼠中所有血清生化标志物和血细胞的数量保持在正常水平。在长期安全性研究中，第0、2、4、6天施用胶囊的小鼠也有相似的结果，从而代谢生物和血细胞指标的微小变化中可以发现蓝藻胶囊的毒性可以忽略不计。施药小鼠胃肠道组织切片的组织学分析显示，肠道结构完整性得以保留，并且没有免疫细胞浸润到粘膜或粘膜下层。来自其他主要器官的H&E染色切片上也没有可观察到明显的炎症或病理变化。总体而言，这些结果表明，蓝衣藻纳米机器人胶囊平台可以安全地用于口服药物给药。

图 口服给药后藻类马达的体内安全性分析。

小结：

目前用于解决关键医疗保健问题的基于微生物的微马达的开发仍处于起步阶段。尽管各种体外研究已经说明了基于细菌的药物递送系统有着显著的开发潜力，但在考虑致病性或免疫原性等因素时，其体内使用仍然存在重大风险。相比细菌与病毒等备选开发载体，微藻是致病性使是有限的，可惜的是微藻的医疗价值开发仍待更多人投身。

胶囊制剂中藻类马达的主要特性在于其持久的自推进，可用于胃肠道疾病治疗或诊断等领域的微机器人生物医学应用。可以进一步赋予藻类马达更多的功能，以提高其对胃肠道输送应用的实用性。如，加入成像剂可以直接可视化藻类在肠道内工作时的运动。又或通过将磁性微粒共轭到藻类表面，通过外加磁场来精确地引导藻类马达到达目标部位。虽然目前的工作重点仍然是证明藻类马达胶囊在增强肠道药物递送方面的潜力，但未来的工作将需要确认该平台在临床相关疾病模型中的治疗优势，例如细菌胃肠道感染，肠易激性疾病或结肠癌等等。胶囊的性质也可以调整为更精确地靶向胃肠道的特定区域。总体而言，功能化的藻类马达，加载在保护胶囊内，代表了一种有吸引力的生物混合马达系统，可以应用于广泛的生物医学应用。

参考文献：

Fangyu Zhang, Zhengxing Li, Yaou Duan, et al. Gastrointestinal tract drug delivery using algae motors embedded in a degradable capsule. Sci Robot. 2022 Sep 28;7(70):eabo4160.

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abo4160