细菌微纳米生物机器人的研究综述

张　帅

(世纪大学 机械工程学院，吉隆坡 50100 )

纳米技术、现代分子生物学技术、分子仿生学技术、机器人技术和微机电技术的结合开创了细菌微纳米生物机器人这个崭新的研究领域，目前已成为国内外研究的热点.细菌微纳米生物机器人就是模仿细胞生活中的各个环节，以分子水平上的生物学原理为指导，设计制造出各种各样的可对纳米或微米空间进行操作的“功能分子器件”[1].然而，细胞本身就是一个典型的微纳米机器，细胞中有一些与人工机械相类似的分子机械.例如细菌的鞭毛是细菌的运动器官，它有一个嵌入细胞壁内的可逆旋转的马达和延伸到外部介质中的丝动蛋白，马达与丝动蛋白连接后，带动着它的轴旋转推动细菌快速运动，相当于一个人工电动机，细菌细胞内的核糖体可以流水般地加工生产蛋白质[2-3].

细菌微纳米生物机器人可以注入人体血管内，利用血液中的葡萄糖和氧气获得能量，按照医生事先编制好的特定的生化程序检查健康情况、疏通心脑梗塞、清除心血管中的动脉粥样硬化、吞噬病灶病菌、及时杀灭体内的癌细胞、时刻监视体内的病变情况，可以有效地解决传统医学难以解决的医学难题[4].另外，细菌微纳米生物机器人用于肿瘤治疗的药物靶向递送技术也是一大亮点.众所周知，当前肿瘤是严重威胁人类健康的疑难病、常见病、多发病，基本上呈现井喷式爆发，且死亡率较高.细菌微纳米生物机器人可携带药物尽可能有选择地运送到相应的靶部位，提高了靶部位的药物浓度及疗效，大幅度减少了药物对全身正常细胞的毒副作用，避免了放疗、化疗、免疫疗法等处理对患者身体造成的非常严重的伤害，包括导致患者脱发、呕吐、贫血、引发炎症等[5].这显然会给现代医学的科学诊断和高效治疗带来一场深刻的革命[6].笔者对细菌微纳米生物机器人研究的相关背景及其现状等进行了综述，可为认识、了解及进一步深入研究该领域奠定基础.

1　细菌微纳米生物机器人的研究现状

美国阿肯色州大学的Tung等人首先将细菌作为功能组件，把大肠杆菌固定在微流道内表面，依靠细菌的旋转形成一个水泵来抽运微流道内的液体[7].Darnton，Turner，Breuer等人在2004年将黏质沙雷菌连接到聚二甲基硅氧烷镀膜的盖玻片上形成一个所谓“细菌毯”的功能组件，可以推动微流道中的液体[8].随后，美国哈佛大学Lee的工程物理部、加拿大蒙特利尔理工学院Martel的纳米机器人研究组、美国卡耐基梅隆大学Sitti的纳米机器人研究组等国际著名的实验室先后对细菌微纳米生物机器人开展了大量的研究.但国内的相关研究相对滞后，目前只有中国科学院电工研究所、中国科学院研究生院和沈阳自动化研究所等单位开展了此项研究.

趋磁细菌微机器人是由Martel，Tremblay，Ngakeng 等人在2006年首次采用1个聚苯乙烯微球(大小为3 μm)和极性趋磁细菌MC-1连接而成的，通过电磁场(由微电磁阵列产生的)来控制趋磁细菌机器人的运行[9].随后，该小组对此进行了大量研究，其研究成果现在已经用在了临床.Martel，Felfoul，Mathieu 等人在2009年研究发现趋磁细菌微纳米生物机器人能在人造血管中运行，这是由核磁共振梯度场来控制的[10].Martel和Mohammadi在2010年首次微组装了趋磁细菌，这种趋磁细菌可以把玻璃砖(微米级的)垒砌成一个微型的金字塔，这个过程是由机器人群(趋磁细菌组成)协同搬运来实现的[11].2015年，陈昌友、宋涛和杨岑玉等人[12]利用趋磁细菌的磁场响应特性组装了一个趋磁细菌微机器人系统，成功实现了对特异细菌进行有效的分离，这可用于医学检测分析等领域.

2009年，Pawashe，Floyd和Sitti学者研制出了一种由钕、铁、硼构成的磁性微型机器人，它采用电磁线圈系统来移动软磁性金属[13].同年，Choi和Jeong等人也开发出了微型机器人，这种微型机器人的控制是靠磁性材料及对线圈系统产生外部磁场来实现的[14].2014年，Go，Choi和Jeong等研究者在原来的基础上改进开发出了一种新的微机器人，它是由两对项圈控制和磁力驱动，这种微机器人产生的位置误差在0.33 mm以内[15].

沙门氏菌属于胞内侵袭性兼性厌氧菌，减毒后能保留其抗原性，而没有致病性.这样趋化受体、鞭毛和沙门氏菌可以深入渗透到肿瘤组织内感测、移动、聚集和扩增.利用这种细菌能够在肿瘤组织中自由运动的特点，可以把其携带的药品精准稳妥地释放于更深层的肿瘤微环境内，为更有效地治疗肿瘤提供了可靠的保证[16].2008年，Min，Nguyen，Kim等人依据沙门氏菌具有嗜肿瘤组织的特性，已经把沙门氏菌用在了肿瘤靶向治疗的研究中[17].2013年，Park和Cho等人研发出了可用于诊断和治疗乳腺癌、大肠癌、结肠癌等多发的、疑难的癌症细菌微机器人.这种细菌微机器人由以下两部分组成：即用于诊断或杀灭肿瘤药物的聚苯乙烯微球和鼠疫减毒沙门氏菌，有3 μm大小，对肿瘤的诊断和治疗具有靶向性和趋化移动性[18].这些研究成果开创了癌症诊断和治疗的新纪元.

Steager，Kim，Patel等人在2007年根据沙雷菌具有负趋光性的特点，把黏质的沙雷菌和50 μm大小的SU-8等边三角形相连接后形成了一个微结构，这个微结构的开启和停止依赖于紫外光.但遗憾的是无法控制细菌的运动方向[19].也是在2007年，Zhang，Wang，Brauner等人研究发现感光蛋白ChR2-NpHR系统对神经细胞的活动起到“开关”的作用.细胞膜上的ChR2系统在蓝光照射细胞时，可以激活细胞，使其活动起来；细胞膜上的NpHR系统在黄光照射细胞时，可以停止细胞的活动.利用这个系统可以对细胞的生命活动进行有效的控制[20].2011年，Leifer，Fang，Gershow等人和Stirman，Crane，Husson等人这2个研究小组先后把ChR2-NpHR系统用在了秀丽隐杆线虫上，通过激光来控制秀丽隐杆线虫的生命活动，如可使其开始或停止产卵等[21-22],此外，研究还发现了ChETA, Mac, Arch等新型的感光蛋白分子，这些分子具有更广阔的应用前景.

研究发现可以通过控制钠离子浓度的大小来驱动黏质沙雷菌的鞭毛马达，从而可以实现对细菌微生物机器人启动和停止的操作.Behkam和Sitti在2007年通过实验把黏质沙雷菌和10 μm大小的聚苯乙烯微球连接在一起，这样就制成了一个有生命活力的细菌微生物机器人.为了解决细菌微生物机器人的启停问题，他们利用鞭毛马达螯合剂和解螯合剂分别对鞭毛的旋转进行抑制和开启，但是很遗憾，其运动方向无法有效地控制[23].

2014年，Carlsen，Edwards和Zhuang等人提出了一个崭新的概念，就是一个把细菌的运动性和电磁场制动的混合动力结合起来构成的微机器人可以进行药物输送的系统[24].根据这个系统制成的混合动力微机器人克服了诸多弊端，如细菌微机器人的动力小，难定位于大血管中的肿瘤组织，而电磁致动微机器人在小血管中的肿瘤靶向性较差，两者均无法精确锁定肿瘤所在的位置.紧接着在2015年，Li, Choi和Cho等学者提出并研制开发出了混合动力驱动微机器人，它是由鞭毛细菌和电磁场结合而成的.这种细菌微机器人依靠电磁场控制的路径和细菌的趋化性及运动性在血管内进行有效移动，混合动力测试表明了电磁制动系统适用于大血管的宏观运动，因其驱动力较大、高速可控；而细菌致动系统适用于小血管的微观运动，因其驱动力较小、速度较慢，有主动靶向性[25].另外，Park, Lee和Choi等研究者在2014年研制出了由单核细胞(活的有机体)和微珠(无机材料)组成的单核细胞微机器人，已经用于肿瘤的临床研究之中[26].2013年，研究小组的Hu, Fan和Tonaki等人开发出了一个光吸收水凝胶微机器人，它是由聚苯乙烯微球和单个酵母细胞所构成的，依赖光学感应热毛细流的动力来驱动[27].

2　细菌微纳米生物机器人的主要构成及组装

2013年，Lenaghan，Wang和Xi等人[28]以及在2015年，Park，Lee和Cho等人[29]先后提出了作为一个细菌微生物机器人在临床上有效就必须具有以下特点：要采用生物相容性较好和可生物降解的微球把治疗剂封装起来；封装的治疗剂其释放速率应可控；为了使细菌微生物机器人在血管内精准游走，鞭毛细菌要附于微珠.

在构建细菌微生物机器人时，细菌是一个非常重要的组成部分.Kim，Liu和Diller等人在2012年研究发现组装的细菌微生物机器人中的细菌要选择鼠伤寒沙门氏菌、大肠杆菌、黏质沙雷氏菌和趋磁细菌的部分菌株等运动性较高的细菌[30].2014年，Chen和Yi等人把金黄色葡萄球菌用在了开发趋磁细菌微机器人的研究之中[31].Le，Kim和Kwon等人认为虽然鼠伤寒沙门氏菌、大肠杆菌、黏质沙雷氏菌和趋磁细菌菌株的运动性较强，但是这些细菌固有诸多弊端.例如它们的繁殖过程复杂，菌株均具有急性致病性及强的耐药性，趋磁细菌的生存条件要求非常苛刻，并且其电磁线圈系统也很复杂，这就限制了它们作为细菌微生物机器人的主要组成部分在医学临床中的应用.如果对高动力鞭毛菌(伤寒沙门氏菌)进行减毒后就可以被选择使用了，因为减毒后只有抗原性，没有了致病性，它本身还具有感测、移动、积聚、在肿瘤组织内复制增殖等优点.这就显示了它独特的诊断和治疗优势[32].

细菌微生物机器人的另一个主要部件是种类繁多的功能性聚合物微球，有pH敏感聚合物微球、温敏性聚合物微球、磁性聚合物微球和多重响应型聚合物微球等，还有多孔微球、空心微球等.空心微球具有比表面积大、密度低、内部空腔可作为存储空间等特点，它可以负载和传递药物，这是它在医学临床上最主要的应用[33].2009年，Shin，Anisur和Ko等人用实验验证了水分散性氧化锰空心微球可采用选择性刻烛法得到，这种空心微球可用在临床上的药物传递及磁共振成像造影剂中[34].也是在2009年，Wang，Wu和Chen等人[35]通过实验合成了空心微球，用的材料是Fe3O4/ZnS.这种空心微球具有以下特点：超顺磁性、荧光性，负载药物量高，相当于传统药物载体的缓释速度，可在60 h内释放90%的药物.微球粒径大小的控制可通过控制模板大小和自组装微球的壁厚来实现，可以把微球的壁厚控制在10 nm至100 nm 之间，这样根据实际需求就可以制备出0.1至10 μm的聚合物微球.这种微球的粒径均一、尺寸可控，能较好地得到应用.

组装一个有活力的细菌微生物机器人最关键的步骤就是如何把鞭毛细菌和功能载体连接在一起.2012年，Cho，Park和Ko等人[36]开始探索了高效连接细菌和功能载体的新方法.目前用于构建细菌微生物机器人的通用功能载体为聚苯乙烯微球，而PDMS、玻璃、SU8胶等这些载体材料也可以选用.因其廉价、好的生物相容性，有被官能团修饰的表面，利于标记功能性分子，如荧光、药物等.Darnton，Turner和Breuer等人[37]研究表明了细菌与载体材料的连接效率与细菌表面属性有关，如大肠杆菌就不能，趋磁细菌也不易与微球连接，而黏质沙雷菌都能连接.因此，要提高其连接效率就必须要在材料的选择和连接方式上下功夫，例如可以采用抗原和抗体结合的方法连接，也可以选用核酸适配体的连接方法.

Park和Cho等人[18]探讨了如何把细菌完全黏附在功能微球上的新方法，他们首先改造细菌的外膜蛋白，使其生物素能更好地显示出来，同时把链霉亲和素包裹在功能微球的表面上.这样链霉亲和素和生物素就能够紧密地结合在一起，一个细菌微生物机器人的组装就告完成.

3　细菌微纳米生物机器人在生物医学上的应用

细菌微纳米生物机器人的功能独特，是新兴的机器人技术和生物技术等学科的交叉学科，在生物医学领域的应用前景极其广阔，具体表现在以下几个方面：第一，细菌微纳米生物机器人是由微传感器、微制动器和治疗剂三者按照一定的程序严格组装起来的集合体，可以由鞭毛提供动力，依赖趋化受体趋向肿瘤，这是其独特的靶向性和趋化移动性；它凭借功能微球攻击肿瘤细胞后，微球负载的药物就被释放出来，其释放药物的速度和数量可以很容易地检测到和被控制，这就大幅度降低了不良反应的发生，所以在临床医学上就表现出了一种奇特的治疗策略，尤其在肿瘤的治疗上.第二，细菌微纳米生物机器人就是一个药物输送系统，学者们对其功能微球和微囊材料也进行了精心的选择，并且对材料的表面性质、缓释性能以及尺寸的大小都进行了科学的设计，把药物合理地包埋到材料之中.这样可以按照人们的意愿，把所需的药物按照预期的速度在所需的时间内释放到所需的地点，极大提高了药物的疗效，取得了理想的治疗效果.第三，细菌微纳米生物机器人能携带诊断性的药物及离子等进入机体内，可以对体内的肿瘤实施监控和预报，达到早期诊断、早期治疗的目的.

4　存在的问题及展望

目前虽然细菌微纳米生物机器人的研究已经取得了诸多可喜的成绩，但是有很多关键性的技术问题仍然没有得到解决，还处于实验探索阶段，有待于突破和改进，它的概念、理论及内涵也需要不断地充实、丰富与发展.例如，细菌寿命的提高、高效率和高稳定性细菌的培养、微球药物在体内的可控释放、细菌与微球的有效连接以及微机器人的闭环控制等技术难题急需进一步解决.细菌微纳米生物机器人的药物输送系统在肿瘤治疗中的可行性、用于临床医疗的生物安全性、细菌及药物载体的降解性等问题仍需要进一步探索.把磁场技术和光遗传学技术结合起来用于细菌微纳米生物机器人中，操控技术需要取得重大突破.由此可见，虽然细菌微纳米生物机器人技术面临很多急需解决的问题和诸多严峻的挑战，但它是一个朝阳产业，仍然具有巨大的发展潜力和极其广阔的应用前景，它为临床上快速有效地诊断和治疗棘手、疑难、多发的肿瘤提供了一个崭新的方法和独特的途径.深信随着对微生物特性和高分子纳米材料探讨的不断深入，将会有功能更多、实用性更强、疗效更好的细菌微纳米生物机器人用于医学临床之中.

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