梁耀杰，孫君重

中國人民解放軍總醫(yī)院　第一附屬醫(yī)院干部三科，北京 100048

?

·綜述·

細菌微機器人的研究進展

梁耀杰，孫君重

中國人民解放軍總醫(yī)院第一附屬醫(yī)院干部三科，北京 100048

細菌微機器人概念一經(jīng)提出，就受到了廣大科研工作者的重視，成為近年多學科交叉研究的熱點。其中對于惡性腫瘤的早診早治以及降低化療的不良反應等方面展示了其獨特的優(yōu)勢和巨大的應用潛力。本文結合國內(nèi)外研究，擬就細菌機器人的概念、構造和醫(yī)學應用進行綜述，旨在拓展其醫(yī)療用途，造福腫瘤患者。

細菌微機器人；趨化性；趨磁性；靶向性；腫瘤早診早治

ActaAcadMedSin，2016,38(4)：453-457

細菌微機器人的概念

細菌微機器人無確切定義，其概念不斷被豐富，認同較高的說法是利用某些細菌獨特的結構或特性通過生物工程學技術進行加工或組裝，從而獲得新功能或新生物系統(tǒng)[1]。同時細菌是一種簡單有效的可以在人體血液(低雷諾數(shù))依靠鞭毛快速運動的生物體，也為細菌微機器人的開發(fā)利用提供了可能。

細菌微機器人的研究現(xiàn)狀

首先將細菌作為功能組件的是美國阿肯色州大學的Tung，他們將大腸桿菌固定在微流道內(nèi)表面，依靠細菌的旋轉(zhuǎn)形成一水泵來抽運微流道內(nèi)的液體。2004年，Darnton等[2]將粘質(zhì)沙雷菌連接到聚二甲基硅氧烷鍍膜的蓋玻片上形成一個所謂“細菌毯”的功能組件，可以推動微流道中的液體。此后國際上相繼展開了細菌微機器人研究的熱潮，但國內(nèi)相關課題的探討與研究相對滯后。

趨化細菌微機器人沙門氏菌是一類胞內(nèi)侵襲性兼性厭氧菌，減毒后任保留其抗原性，與常規(guī)腫瘤治療相比，具有很多獨特的功能。研究表明它可以感測、移動、聚集,并在實體腫瘤內(nèi)擴增，比如結、直腸癌和乳腺癌。沙門氏菌在腫瘤內(nèi)積累與正常組織相比約為1000∶1[3]。由于趨化受體和鞭毛、沙門氏菌在腫瘤微環(huán)境中可以直接朝著趨化分子信號移動，能夠深入滲透腫瘤組織[4]。隨著自我推進，它們能積極游動遠離脈管系統(tǒng)和深入滲透到腫瘤組織，最重要的是，細菌能夠自主運動，這能實現(xiàn)藥品精確地釋放在藏于深部的腫瘤組織[5]。因為沙門氏菌具有嗜腫瘤組織特性，已廣泛用于腫瘤靶向治療的研究[6]。韓國全南大學細菌機器人研究所研發(fā)出了可用于治療癌癥的細菌微機器人，可對大腸癌、乳腺癌等多種高發(fā)性實體癌癥進行診斷與治療[7]。該細菌微機器人的大小只有3 μm，由鼠疫減毒沙門氏菌和可用于包裹診斷或殺滅腫瘤藥物的聚苯乙烯微球結構兩部分組成，體內(nèi)外研究證實，該細菌微機器人對腫瘤具有趨化移動性和靶向性[7]，它的成功開發(fā)在癌癥診斷和治療史上具有重要意義。

趨磁細菌微機器人具有高穩(wěn)定性與效率的微驅(qū)動及微傳感器的制造和集成對于微型機器人非常重要。許多研究人員試圖通過組合多種技術解決這些問題，比如微/納米機電系統(tǒng)、納米技術和生物技術。在微型機器人很多的潛在生物醫(yī)學應用中，如傳感和治療功能、驅(qū)動集成和微型電源的控制仍然存在困難。為有效控制和驅(qū)動微型機器人，一些研究者開發(fā)了磁性微型機器人，它由釹-鐵-硼構成，通過電磁線圈系統(tǒng)驅(qū)使軟磁性金屬致動[8]。有的研究小組還開發(fā)了通過使用磁性材料及通過在兩對線圈系統(tǒng)產(chǎn)生外部磁場控制的微型機器人[9]。一個新改進的使用兩對項圈控制、磁力驅(qū)動的微機器人，位置誤差可以減小到不足0.33 mm[10]。當前，很富有前景的一種是利用趨磁細菌構成的趨磁細菌微機器人。趨磁細菌是一類細胞內(nèi)含有磁小體鏈的革蘭陰性菌，在自然環(huán)境中，依靠鞭毛的旋轉(zhuǎn)進行主動性的運動，依靠體內(nèi)的磁小體鏈和地磁場的作用，趨向有利的生存環(huán)境[11]。另外，趨磁細菌通過趨磁性與趨化性或趨氧性的組合，很容易被控制。

2006年，Martel等[12]首先提出趨磁細菌微機器人構想，利用極性趨磁細菌MC- 1與1個3 μm 的聚苯乙烯微球相連，設計出了趨磁細菌微機器人，通過微電磁陣列產(chǎn)生的電磁場實現(xiàn)對趨磁細菌機器人的控制。自2006年以來，Martel小組在趨磁微細菌機器人方面進行了大量研究，正逐步向臨床應用發(fā)展。2009年，Martel等[13]利用核磁共振梯度場實現(xiàn)了趨磁細菌微機器人在人造血管中的運動控制。2010年，Martel和Mohammadi[14]首次利用趨磁細菌進行微組裝，通過控制趨磁細菌組成的機器人群進行協(xié)同搬運，將微米級的玻璃磚壘成一個微型金字塔。

混合動力微機器人由于細菌微機器人推力太小，難以在大血管中穩(wěn)定定位腫瘤，電磁致動微機器人不具有自主腫瘤靶向性，難以準確定位小血管，使得精準瞄準腫瘤困難，因此，一個結合細菌運動性和電磁場制動的混合動力微機器人藥物輸送系統(tǒng)的新概念被提出[15]。近期，韓國全南大學又提出并實現(xiàn)了由電磁場和鞭毛細菌相結合的混合動力驅(qū)動微機器人，該微機器人能夠沿著通過電磁場控制的路徑和通過細菌的趨化性和運動性有效移動，從混合動力測試中，可以確認該微機器人通過電磁制動(electromagnetic actuation，EMA)和細菌致動的平均速度分別是5.82和0.9 μm/s，估算出微機器人通過EMA系統(tǒng)和通過細菌運動的阻力分別為1.92和0.27 pN，動力分別為FE=81.2 pN (EMA)和FB=10 pN[16]。因此，與動力相比，阻力可以忽略。由于EMA系統(tǒng)表現(xiàn)出較大的驅(qū)動力與高速可控性，適合宏觀運動(大血管)；另一方面，細菌致動表現(xiàn)出小驅(qū)動力和慢速，但具有主動靶向性(類似于細菌的趨化性)，適合微觀運動(小血管)。

其他類型細菌微機器人除了常見的趨化、趨磁細菌微機器人，研究者還開發(fā)出了趨光細菌微機器人。趨光性是指細胞對光刺激的反應，一般分為正趨光性和負趨光性。2007年，Steager等[17]利用沙雷菌的負趨光性進行對微結構的控制研究，一群粘質(zhì)沙雷菌被連接到50 μm的SU- 8等邊三角形上形成一個微結構，通過紫外光實現(xiàn)微結構的啟停，但并未實現(xiàn)對細菌運動方向的控制。另外，還開發(fā)出了單核細胞微機器人，它由一個活的有機體(單核細胞)和無機材料(微珠)組成，用于腫瘤研究[18]以及通過光學感應熱毛細流驅(qū)動的由單個酵母細胞和聚苯乙烯微球組成的光吸收水凝膠微機器人[19]。

細菌微機器人的重要組成部分

一個有效的細菌微機器人至少應滿足幾點：第一，治療劑應封裝到采用可生物降解和生物相容性較好的微球內(nèi)；第二，對代表細菌微機器人診療功能的治療劑釋放速率應該予以控制；最后，有鞭毛的細菌應附于微珠，以確保微機器人能高效移動[20- 21]。

細菌的選擇對于微機器人中細菌的選擇，具有高運動性的細菌受到重視，如大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌、粘質(zhì)沙雷氏菌和趨磁細菌的一些菌株[22]。比如趨磁細菌的某些菌株已經(jīng)被一些研究者使用，它們在磁場中能以200～300 μm/s的速度高活力移動[23]。另外，金黃色葡萄球菌也被用于趨磁細菌微機器人的研究[24]。但是，一些細菌，如大腸桿菌、粘質(zhì)沙雷氏菌以及趨磁細菌菌株有一些缺陷，如復雜的增殖過程、細菌的耐藥性和致病性，限制了它們作為微致動器在醫(yī)學微型機器人上的使用，如趨磁細菌需要苛刻的生存條件以及復雜的電磁線圈系統(tǒng)、粘質(zhì)沙雷氏菌有急性致病性。減毒傷寒沙門氏菌作為高動力鞭毛菌被研究者較多選擇，因為它本身具有的優(yōu)點如感測、移動、積聚，并在實體瘤(如結腸和乳腺癌)內(nèi)復制[25]，顯示出了對多種實體瘤獨特的診斷和治療特點[26- 27]。但自然傾向積聚在活體小動物腫瘤內(nèi)的特性主要是對乏氧腫瘤[28]。

微球的種類功能性聚合物微球多種多樣，有空心微球、多孔微球等?？招奈⑶虮缺砻娣e大、密度低、內(nèi)部空腔可以提供存儲空間，在許多領域有著廣泛的應用前景。在生物醫(yī)藥材料領域，空心微球最重要的應用是藥物負載和傳遞[29]。Shin等[30]證實用選擇性刻燭法得到水分散性氧化猛空心微球不僅可以用于藥物傳遞，還可以用作磁共振成像造影劑。Wang等[31]合成了Fe3O4/ZnS空心微球，這種材料不僅具有超順磁性和熒光性，而且具有高的藥物負載量和與傳統(tǒng)Si02藥物載體相當?shù)木忈屗俣?，可以分別在10和65 h完成50%和90%藥物釋放。微球的粒徑可以通過控制模板的大小以及控制自組裝微球的壁厚從10 nm到100 nm，從而根據(jù)需要制備出0.1～10 μm的尺寸可控、粒徑均一的聚合物微球。聚合物微球按環(huán)境響應方式的不同還可分為pH敏感聚合物微球、磁性聚合物微球、溫敏性聚合物微球以及多重響應型聚合物微球等。

細菌與微球的連接合成一個以細菌為基礎的微型機器人最關鍵的步驟之一是把有鞭毛的細菌連接到功能載體上，許多研究人員嘗試開發(fā)細菌和功能載體之間的連接[32]。目前用于細菌微機器人的功能載體通常選用聚苯乙烯微球[2]。對于細菌和功能微球的完全黏附，韓國全南大學提出了基于生物素和鏈霉親和素之間高親和作用的新的黏附方法，通過細菌外膜蛋白被改造后能較好地顯示出的生物素和包裹在功能微球表面上的鏈霉親和素緊密連接，最終，通過鏈霉親和素和生物素之間的緊密結合成功組裝成細菌微機器人[7]。

細菌微機器人的生物醫(yī)學用途

細菌微機器人的優(yōu)點主要有：細菌微機器人具有對腫瘤的趨化移動性和靶向性；含藥物的微球碰撞腫瘤細胞后釋放，減輕不良反應；向腫瘤細胞聚集具有自然傾向性，且能很好的被控制和檢測到?？傮w來講，細菌機器人依靠鞭毛提供動力，依靠趨化受體趨向腫瘤，依靠功能微球攻擊腫瘤，細菌微機器人充當微傳感器、微制動器和治療劑的組合。細菌微機器人由于其獨特的功能將有廣泛的應用前景。因此，融合了機器人技術與生物技術的細菌微型機器人將呈現(xiàn)出一種新的抗腫瘤策略。

隨著醫(yī)療技術逐步提高，人們對藥物的療效也提出了更高的要求。在實際的治療過程中，很多藥物不適宜直接使用或者直接使用達不到理想的治療效果，于是研究者們釆用高分子材料包埋藥物，同時合理地設計微球和微囊材料的尺寸、表面性質(zhì)、緩釋性能等，以所需的時間和地點，并以預期的速度釋放出藥物，這就是藥物輸送系統(tǒng)，而細菌機器人就代表了藥物輸送系統(tǒng)的一個非常有前景的方向。除此之外，細菌微機器人還可以攜帶診斷性離子等，實現(xiàn)對于腫瘤的早診早治，真正實現(xiàn)對腫瘤的三級預防。

問題與展望

客觀來講，細菌微機器人的概念與理論不斷豐富，但目前仍處于實驗探索階段，許多關鍵性技術有待改進與突破，比如具有高穩(wěn)定性和效率的細菌的培養(yǎng)、功能微球藥物的可控釋放以及它們之間的有效連接等問題需要進一步優(yōu)化。細菌機器人技術作為藥物輸送系統(tǒng)用于腫瘤治療的可行性也仍有待進一步探討。還有最為關鍵的細菌微機器人的生物安全性更需要進一步驗證。雖然問題與挑戰(zhàn)多多，但它都不失為一種有著巨大潛力和希望的診斷和治療腫瘤等棘手醫(yī)學問題的新方法。隨著對微生物特性研究不斷深入以及高分子納米材料不斷取得突破性進展，有理由相信將涌現(xiàn)出更多功能、更具有實用性的細菌微機器人造?；颊摺?/p>

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Research Advances in Bacteria-based Microrobot

LIANG Yao-jie，SUN Jun-zhong

Department of Division Three for Senior Officers，the First Affiliated Hospital of Chinese PLA General Hospital，Beijing 100048，China

SUN Jun-zhongTel：010- 66848731，E-mail：sjunzh07@163.com

The concept of bacteria-based microrobot has been well recognized. It has shown great advantages and potentials for the early diagnosis and early treatment of malignant tumor and in reducing chemotherapy toxicities. In this article we review the concept，structure，and potential clinical applications of bacteria-based microrobot.

bacteria-based microrobot；chemotaxis；magnetotaxis；tumor targeting；tumor early detection and treatment

孫君重電話：010- 66848731，電子郵件：sjunzh07@163.com

R73

A

1000- 503X(2016)04- 0453- 05

10.3881/j.issn.1000- 503X.2016.04.015

2015- 09- 09)