Joseph Wang教授/张良方教授Science子刊： 生物杂化微机器人，调节炎症性肠病中的结肠细胞因子和上皮屏障

炎症性肠病与微纳机器人

炎症性肠病（IBD）是一种主要的医疗保健挑战，其特征是胃肠道（GI）持续炎症。它是最常见的自身免疫性疾病之一，破坏肠道屏障的正常功能，扰乱肠道中细胞因子和细胞的复杂相互作用。细胞因子在协调肠道对癌症、感染和组织损伤等疾病的反应中起着关键作用，尤其在IBD中发挥着核心作用。在IBD的整个进展过程中，活化的巨噬细胞（MΦs）产生过量的促炎细胞因子，进一步扰乱肠粘膜稳态并使症状恶化。因此，迫切需要创新的抗细胞因子疗法来调节细胞因子活性并有效管理IBD。当靶向特定的细胞因子时，传统的治疗方法虽然有效，但它们的效用非常有限，这是因为随着疾病的发展产生了多种细胞因子。此外，传统药物的免疫抑制性质可能会导致长期副作用，可能会破坏免疫系统，导致肝脏损伤，使患者容易感染，并增加恶性肿瘤的风险。

在过去的十年里，主动推进的微型和纳米级机器人在各种生物医学输送和中和应用中显示出许多优势。与早期的微型机器人系统（如磁力驱动的微型机器人、化学驱动的微型机械手或基于细菌的微型机械人）相比，最近的注意力越来越集中在生物医学研究中的基于绿藻的微型机器人上，因为它们具有免疫生物相容性和安全性、基于板载驱动的高速自主自推进能力、对不同刺激的强大定向战术运动和引导、自发荧光成像能力、耐用高效的货物运输、运动诱导的流体混合、大规模生产和小型化，以及它们在主要器官中的优越分布和长期滞留。通过用适当的组件修饰藻类表面，可以将货物递送或毒素中和的先进功能很容易地结合到这种微型机器人中。这些有利特性在最近的应用中得到了强调，例如使用负载抗生素的藻类机器人治疗呼吸机相关肺炎，由于其有效的免疫逃避和快速分散，以及在整个肺部的强滞留，显示出抗菌功效。基于藻类的机器人也证明了在胃肠道中操作的生物相容性，具有延长的停留时间和广泛的分布。

基于绿藻的生物杂化微型机器人

在这项研究中，加州大学圣地亚哥分校Joseph Wang教授和张良方教授等人提出了一种创新的生物杂化机器人系统，称为“alge-MΦNP机器人”，可通过主动中和结肠细胞因子水平来解决炎症性肠病。该方法将移动的绿色微藻与巨噬细胞膜包被的纳米颗粒（MΦNP）相结合，以“在巡航中”有效捕获促炎细胞因子。动态alge-MΦNP机器人通过连续运动、更好的分布和在结肠中的延长滞留来增强细胞因子的去除。该系统被封装在口服胶囊中，保护其免受胃酸的影响，并确保其在到达目标疾病部位时具有功能。由此产生的alge-MΦNP机器人胶囊有效调节细胞因子水平，促进受损上皮屏障的愈合。它在IBD小鼠模型中显示出显著提高的预防和治疗效果，并表现出良好的生物安全性。总的来说，该生物杂化alge-MΦNP机器人系统为IBD提供了一种有前途且有效的解决方案，有望解决细胞因子相关的炎症。相关工作以“Biohybrid microrobots regulate colonic cytokines and the epithelium barrier in inflammatory bowel disease”为题发表在Science Robotics。

【文章要点】

一、alge-MΦNP机器人

调节细胞因子活性可以有效控制炎症性肠病，但传统的治疗方法是免疫抑制剂或仅针对特定的细胞因子。通过将绿藻的强大运动与巨噬细胞膜包裹的纳米颗粒的结合能力相结合，本文开发了一种生物混合微型机器人，该机器人可以在体外捕获和去除一系列促炎细胞因子。如图1所示，该机器人用MΦ膜包覆的纳米颗粒（MΦNP）进行功能化，被称为“alge-MΦNP机器人”。为此，作者首先通过超声方法合成了MΦ膜包覆的聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）MΦNP，然后，通过与MΦNP表面的伯胺基团反应，用叠氮化物–PEG4–N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）酯标记MΦNP。用二苯并环辛烯（DBCO）−PEG4-NHS以类似的方法对绿色微藻莱茵衣藻进行修饰后，通过点击化学即可将叠氮改性的MΦNP偶联到DBCO改性的藻类表面上形成alge-MΦNP机器人。

图1 alge-MΦNP机器人的表征

二、性能评估

细胞膜涂层是一种强大的技术，赋予纳米颗粒固有的细胞功能。特别是，仿生MΦNPs作为MΦs的诱饵，可有效地中和促炎细胞因子，因为在这些免疫细胞的膜上发现了各种细胞因子受体。因此，通过利用MΦ细胞膜上的内源性细胞因子受体，MΦNPs提供了一种独特的方法来有效中和过量的促炎细胞因子，同时不直接抑制免疫系统。用这些靶向MΦNPs的细胞因子使自推进藻类发挥功能，可以使这些MΦ诱饵有效移动。这种仿生功能化导致高度运动的细胞因子受体能够“动态”捕获和去除特定的促炎细胞因子，如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-6（IL-6）、IL-1β和干扰素-γ（IFN-γ）（图2）。此外，与之前仅使用纳米颗粒作为结肠癌或结肠炎治疗药物载体的研究相比，基于绿藻的微型机器人表现出优异的组织保留能力。这种长时间的滞留可归因于这些微型机器人固有的持久自我推进行为。与静态alge-MΦNP相比，主动alge-MφNP机器人由于其运动性，在整个结肠组织中表现出更广泛、更均匀和持续的分布。

图2 alge-MΦNP机器人中和细胞因子的能力

三、肠炎治疗

对alge-MΦNP机器人的生物安全性进行评估显示，。、在每天口服10天的时间里，与对照组相比，该制剂对小鼠的体重、血液化学、血细胞计数和胃肠道组织没有明显影响，证实了其良好的生物安全性。而在右旋糖酐硫酸钠（DSS）诱导的小鼠模型中，由此产生的移动alga-MΦNP机器人在发炎的结肠中导航，将游离细胞因子主动结合到移动的MΦ膜上。这种加速的细胞因子中和过程是由MΦNP功能化藻类微型机器人的有效运动和富含细胞因子的溶液中增强的流体动力学促进的细胞膜-细胞因子相互作用改善的结果。因此，有效的微型机器人辅助飞行中和促炎细胞因子，导致免疫级联的快速调节，最终恢复正常的细胞稳态，缓解炎症性肠病症状（图3）。

图3 肠炎治疗

结论与展望

总的来说，这种alge-MΦNP机器人系统具有以自然和高效的方式治疗炎症性疾病的潜力。此外，通过将治疗有效载荷加载到alge-MΦNP机器人上，它还可以应用于治疗其他胃肠道疾病，如胃炎。此外，还可以集成外部场，以提供对微型机器人的进一步定向控制，从而实现更准确的局部药物递送应用。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adl2007