張　帥

(世紀(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉隆坡 50100 )

納米技術(shù)、現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)、分子仿生學(xué)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和微機(jī)電技術(shù)的結(jié)合開創(chuàng)了細(xì)菌微納米生物機(jī)器人這個嶄新的研究領(lǐng)域，目前已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn).細(xì)菌微納米生物機(jī)器人就是模仿細(xì)胞生活中的各個環(huán)節(jié)，以分子水平上的生物學(xué)原理為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)制造出各種各樣的可對納米或微米空間進(jìn)行操作的“功能分子器件”[1].然而，細(xì)胞本身就是一個典型的微納米機(jī)器，細(xì)胞中有一些與人工機(jī)械相類似的分子機(jī)械.例如細(xì)菌的鞭毛是細(xì)菌的運(yùn)動器官，它有一個嵌入細(xì)胞壁內(nèi)的可逆旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)和延伸到外部介質(zhì)中的絲動蛋白，馬達(dá)與絲動蛋白連接后，帶動著它的軸旋轉(zhuǎn)推動細(xì)菌快速運(yùn)動，相當(dāng)于一個人工電動機(jī)，細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的核糖體可以流水般地加工生產(chǎn)蛋白質(zhì)[2-3].

細(xì)菌微納米生物機(jī)器人可以注入人體血管內(nèi)，利用血液中的葡萄糖和氧氣獲得能量，按照醫(yī)生事先編制好的特定的生化程序檢查健康情況、疏通心腦梗塞、清除心血管中的動脈粥樣硬化、吞噬病灶病菌、及時殺滅體內(nèi)的癌細(xì)胞、時刻監(jiān)視體內(nèi)的病變情況，可以有效地解決傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)難以解決的醫(yī)學(xué)難題[4].另外，細(xì)菌微納米生物機(jī)器人用于腫瘤治療的藥物靶向遞送技術(shù)也是一大亮點(diǎn).眾所周知，當(dāng)前腫瘤是嚴(yán)重威脅人類健康的疑難病、常見病、多發(fā)病，基本上呈現(xiàn)井噴式爆發(fā)，且死亡率較高.細(xì)菌微納米生物機(jī)器人可攜帶藥物盡可能有選擇地運(yùn)送到相應(yīng)的靶部位，提高了靶部位的藥物濃度及療效，大幅度減少了藥物對全身正常細(xì)胞的毒副作用，避免了放療、化療、免疫療法等處理對患者身體造成的非常嚴(yán)重的傷害，包括導(dǎo)致患者脫發(fā)、嘔吐、貧血、引發(fā)炎癥等[5].這顯然會給現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的科學(xué)診斷和高效治療帶來一場深刻的革命[6].筆者對細(xì)菌微納米生物機(jī)器人研究的相關(guān)背景及其現(xiàn)狀等進(jìn)行了綜述，可為認(rèn)識、了解及進(jìn)一步深入研究該領(lǐng)域奠定基礎(chǔ).

1　細(xì)菌微納米生物機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

美國阿肯色州大學(xué)的Tung等人首先將細(xì)菌作為功能組件，把大腸桿菌固定在微流道內(nèi)表面，依靠細(xì)菌的旋轉(zhuǎn)形成一個水泵來抽運(yùn)微流道內(nèi)的液體[7].Darnton，Turner，Breuer等人在2004年將黏質(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(xì)菌毯”的功能組件，可以推動微流道中的液體[8].隨后，美國哈佛大學(xué)Lee的工程物理部、加拿大蒙特利爾理工學(xué)院Martel的納米機(jī)器人研究組、美國卡耐基梅隆大學(xué)Sitti的納米機(jī)器人研究組等國際著名的實(shí)驗(yàn)室先后對細(xì)菌微納米生物機(jī)器人開展了大量的研究.但國內(nèi)的相關(guān)研究相對滯后，目前只有中國科學(xué)院電工研究所、中國科學(xué)院研究生院和沈陽自動化研究所等單位開展了此項(xiàng)研究.

趨磁細(xì)菌微機(jī)器人是由Martel，Tremblay，Ngakeng 等人在2006年首次采用1個聚苯乙烯微球(大小為3 μm)和極性趨磁細(xì)菌MC-1連接而成的，通過電磁場(由微電磁陣列產(chǎn)生的)來控制趨磁細(xì)菌機(jī)器人的運(yùn)行[9].隨后，該小組對此進(jìn)行了大量研究，其研究成果現(xiàn)在已經(jīng)用在了臨床.Martel，F(xiàn)elfoul，Mathieu 等人在2009年研究發(fā)現(xiàn)趨磁細(xì)菌微納米生物機(jī)器人能在人造血管中運(yùn)行，這是由核磁共振梯度場來控制的[10].Martel和Mohammadi在2010年首次微組裝了趨磁細(xì)菌，這種趨磁細(xì)菌可以把玻璃磚(微米級的)壘砌成一個微型的金字塔，這個過程是由機(jī)器人群(趨磁細(xì)菌組成)協(xié)同搬運(yùn)來實(shí)現(xiàn)的[11].2015年，陳昌友、宋濤和楊岑玉等人[12]利用趨磁細(xì)菌的磁場響應(yīng)特性組裝了一個趨磁細(xì)菌微機(jī)器人系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了對特異細(xì)菌進(jìn)行有效的分離，這可用于醫(yī)學(xué)檢測分析等領(lǐng)域.

2009年，Pawashe，F(xiàn)loyd和Sitti學(xué)者研制出了一種由釹、鐵、硼構(gòu)成的磁性微型機(jī)器人，它采用電磁線圈系統(tǒng)來移動軟磁性金屬[13].同年，Choi和Jeong等人也開發(fā)出了微型機(jī)器人，這種微型機(jī)器人的控制是靠磁性材料及對線圈系統(tǒng)產(chǎn)生外部磁場來實(shí)現(xiàn)的[14].2014年，Go，Choi和Jeong等研究者在原來的基礎(chǔ)上改進(jìn)開發(fā)出了一種新的微機(jī)器人，它是由兩對項(xiàng)圈控制和磁力驅(qū)動，這種微機(jī)器人產(chǎn)生的位置誤差在0.33 mm以內(nèi)[15].

沙門氏菌屬于胞內(nèi)侵襲性兼性厭氧菌，減毒后能保留其抗原性，而沒有致病性.這樣趨化受體、鞭毛和沙門氏菌可以深入滲透到腫瘤組織內(nèi)感測、移動、聚集和擴(kuò)增.利用這種細(xì)菌能夠在腫瘤組織中自由運(yùn)動的特點(diǎn)，可以把其攜帶的藥品精準(zhǔn)穩(wěn)妥地釋放于更深層的腫瘤微環(huán)境內(nèi)，為更有效地治療腫瘤提供了可靠的保證[16].2008年，Min，Nguyen，Kim等人依據(jù)沙門氏菌具有嗜腫瘤組織的特性，已經(jīng)把沙門氏菌用在了腫瘤靶向治療的研究中[17].2013年，Park和Cho等人研發(fā)出了可用于診斷和治療乳腺癌、大腸癌、結(jié)腸癌等多發(fā)的、疑難的癌癥細(xì)菌微機(jī)器人.這種細(xì)菌微機(jī)器人由以下兩部分組成：即用于診斷或殺滅腫瘤藥物的聚苯乙烯微球和鼠疫減毒沙門氏菌，有3 μm大小，對腫瘤的診斷和治療具有靶向性和趨化移動性[18].這些研究成果開創(chuàng)了癌癥診斷和治療的新紀(jì)元.

Steager，Kim，Patel等人在2007年根據(jù)沙雷菌具有負(fù)趨光性的特點(diǎn)，把黏質(zhì)的沙雷菌和50 μm大小的SU-8等邊三角形相連接后形成了一個微結(jié)構(gòu)，這個微結(jié)構(gòu)的開啟和停止依賴于紫外光.但遺憾的是無法控制細(xì)菌的運(yùn)動方向[19].也是在2007年，Zhang，Wang，Brauner等人研究發(fā)現(xiàn)感光蛋白ChR2-NpHR系統(tǒng)對神經(jīng)細(xì)胞的活動起到“開關(guān)”的作用.細(xì)胞膜上的ChR2系統(tǒng)在藍(lán)光照射細(xì)胞時，可以激活細(xì)胞，使其活動起來；細(xì)胞膜上的NpHR系統(tǒng)在黃光照射細(xì)胞時，可以停止細(xì)胞的活動.利用這個系統(tǒng)可以對細(xì)胞的生命活動進(jìn)行有效的控制[20].2011年，Leifer，F(xiàn)ang，Gershow等人和Stirman，Crane，Husson等人這2個研究小組先后把ChR2-NpHR系統(tǒng)用在了秀麗隱桿線蟲上，通過激光來控制秀麗隱桿線蟲的生命活動，如可使其開始或停止產(chǎn)卵等[21-22],此外，研究還發(fā)現(xiàn)了ChETA, Mac, Arch等新型的感光蛋白分子，這些分子具有更廣闊的應(yīng)用前景.

研究發(fā)現(xiàn)可以通過控制鈉離子濃度的大小來驅(qū)動黏質(zhì)沙雷菌的鞭毛馬達(dá)，從而可以實(shí)現(xiàn)對細(xì)菌微生物機(jī)器人啟動和停止的操作.Behkam和Sitti在2007年通過實(shí)驗(yàn)把黏質(zhì)沙雷菌和10 μm大小的聚苯乙烯微球連接在一起，這樣就制成了一個有生命活力的細(xì)菌微生物機(jī)器人.為了解決細(xì)菌微生物機(jī)器人的啟停問題，他們利用鞭毛馬達(dá)螯合劑和解螯合劑分別對鞭毛的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行抑制和開啟，但是很遺憾，其運(yùn)動方向無法有效地控制[23].

2014年，Carlsen，Edwards和Zhuang等人提出了一個嶄新的概念，就是一個把細(xì)菌的運(yùn)動性和電磁場制動的混合動力結(jié)合起來構(gòu)成的微機(jī)器人可以進(jìn)行藥物輸送的系統(tǒng)[24].根據(jù)這個系統(tǒng)制成的混合動力微機(jī)器人克服了諸多弊端，如細(xì)菌微機(jī)器人的動力小，難定位于大血管中的腫瘤組織，而電磁致動微機(jī)器人在小血管中的腫瘤靶向性較差，兩者均無法精確鎖定腫瘤所在的位置.緊接著在2015年，Li, Choi和Cho等學(xué)者提出并研制開發(fā)出了混合動力驅(qū)動微機(jī)器人，它是由鞭毛細(xì)菌和電磁場結(jié)合而成的.這種細(xì)菌微機(jī)器人依靠電磁場控制的路徑和細(xì)菌的趨化性及運(yùn)動性在血管內(nèi)進(jìn)行有效移動，混合動力測試表明了電磁制動系統(tǒng)適用于大血管的宏觀運(yùn)動，因其驅(qū)動力較大、高速可控；而細(xì)菌致動系統(tǒng)適用于小血管的微觀運(yùn)動，因其驅(qū)動力較小、速度較慢，有主動靶向性[25].另外，Park, Lee和Choi等研究者在2014年研制出了由單核細(xì)胞(活的有機(jī)體)和微珠(無機(jī)材料)組成的單核細(xì)胞微機(jī)器人，已經(jīng)用于腫瘤的臨床研究之中[26].2013年，研究小組的Hu, Fan和Tonaki等人開發(fā)出了一個光吸收水凝膠微機(jī)器人，它是由聚苯乙烯微球和單個酵母細(xì)胞所構(gòu)成的，依賴光學(xué)感應(yīng)熱毛細(xì)流的動力來驅(qū)動[27].

2　細(xì)菌微納米生物機(jī)器人的主要構(gòu)成及組裝

2013年，Lenaghan，Wang和Xi等人[28]以及在2015年，Park，Lee和Cho等人[29]先后提出了作為一個細(xì)菌微生物機(jī)器人在臨床上有效就必須具有以下特點(diǎn)：要采用生物相容性較好和可生物降解的微球把治療劑封裝起來；封裝的治療劑其釋放速率應(yīng)可控；為了使細(xì)菌微生物機(jī)器人在血管內(nèi)精準(zhǔn)游走，鞭毛細(xì)菌要附于微珠.

在構(gòu)建細(xì)菌微生物機(jī)器人時，細(xì)菌是一個非常重要的組成部分.Kim，Liu和Diller等人在2012年研究發(fā)現(xiàn)組裝的細(xì)菌微生物機(jī)器人中的細(xì)菌要選擇鼠傷寒沙門氏菌、大腸桿菌、黏質(zhì)沙雷氏菌和趨磁細(xì)菌的部分菌株等運(yùn)動性較高的細(xì)菌[30].2014年，Chen和Yi等人把金黃色葡萄球菌用在了開發(fā)趨磁細(xì)菌微機(jī)器人的研究之中[31].Le，Kim和Kwon等人認(rèn)為雖然鼠傷寒沙門氏菌、大腸桿菌、黏質(zhì)沙雷氏菌和趨磁細(xì)菌菌株的運(yùn)動性較強(qiáng)，但是這些細(xì)菌固有諸多弊端.例如它們的繁殖過程復(fù)雜，菌株均具有急性致病性及強(qiáng)的耐藥性，趨磁細(xì)菌的生存條件要求非?？量蹋⑶移潆姶啪€圈系統(tǒng)也很復(fù)雜，這就限制了它們作為細(xì)菌微生物機(jī)器人的主要組成部分在醫(yī)學(xué)臨床中的應(yīng)用.如果對高動力鞭毛菌(傷寒沙門氏菌)進(jìn)行減毒后就可以被選擇使用了，因?yàn)闇p毒后只有抗原性，沒有了致病性，它本身還具有感測、移動、積聚、在腫瘤組織內(nèi)復(fù)制增殖等優(yōu)點(diǎn).這就顯示了它獨(dú)特的診斷和治療優(yōu)勢[32].

細(xì)菌微生物機(jī)器人的另一個主要部件是種類繁多的功能性聚合物微球，有pH敏感聚合物微球、溫敏性聚合物微球、磁性聚合物微球和多重響應(yīng)型聚合物微球等，還有多孔微球、空心微球等.空心微球具有比表面積大、密度低、內(nèi)部空腔可作為存儲空間等特點(diǎn)，它可以負(fù)載和傳遞藥物，這是它在醫(yī)學(xué)臨床上最主要的應(yīng)用[33].2009年，Shin，Anisur和Ko等人用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了水分散性氧化錳空心微球可采用選擇性刻燭法得到，這種空心微球可用在臨床上的藥物傳遞及磁共振成像造影劑中[34].也是在2009年，Wang，Wu和Chen等人[35]通過實(shí)驗(yàn)合成了空心微球，用的材料是Fe3O4/ZnS.這種空心微球具有以下特點(diǎn)：超順磁性、熒光性，負(fù)載藥物量高，相當(dāng)于傳統(tǒng)藥物載體的緩釋速度，可在60 h內(nèi)釋放90%的藥物.微球粒徑大小的控制可通過控制模板大小和自組裝微球的壁厚來實(shí)現(xiàn)，可以把微球的壁厚控制在10 nm至100 nm 之間，這樣根據(jù)實(shí)際需求就可以制備出0.1至10 μm的聚合物微球.這種微球的粒徑均一、尺寸可控，能較好地得到應(yīng)用.

組裝一個有活力的細(xì)菌微生物機(jī)器人最關(guān)鍵的步驟就是如何把鞭毛細(xì)菌和功能載體連接在一起.2012年，Cho，Park和Ko等人[36]開始探索了高效連接細(xì)菌和功能載體的新方法.目前用于構(gòu)建細(xì)菌微生物機(jī)器人的通用功能載體為聚苯乙烯微球，而PDMS、玻璃、SU8膠等這些載體材料也可以選用.因其廉價、好的生物相容性，有被官能團(tuán)修飾的表面，利于標(biāo)記功能性分子，如熒光、藥物等.Darnton，Turner和Breuer等人[37]研究表明了細(xì)菌與載體材料的連接效率與細(xì)菌表面屬性有關(guān)，如大腸桿菌就不能，趨磁細(xì)菌也不易與微球連接，而黏質(zhì)沙雷菌都能連接.因此，要提高其連接效率就必須要在材料的選擇和連接方式上下功夫，例如可以采用抗原和抗體結(jié)合的方法連接，也可以選用核酸適配體的連接方法.

Park和Cho等人[18]探討了如何把細(xì)菌完全黏附在功能微球上的新方法，他們首先改造細(xì)菌的外膜蛋白，使其生物素能更好地顯示出來，同時把鏈霉親和素包裹在功能微球的表面上.這樣鏈霉親和素和生物素就能夠緊密地結(jié)合在一起，一個細(xì)菌微生物機(jī)器人的組裝就告完成.

3　細(xì)菌微納米生物機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

細(xì)菌微納米生物機(jī)器人的功能獨(dú)特，是新興的機(jī)器人技術(shù)和生物技術(shù)等學(xué)科的交叉學(xué)科，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景極其廣闊，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：第一，細(xì)菌微納米生物機(jī)器人是由微傳感器、微制動器和治療劑三者按照一定的程序嚴(yán)格組裝起來的集合體，可以由鞭毛提供動力，依賴趨化受體趨向腫瘤，這是其獨(dú)特的靶向性和趨化移動性；它憑借功能微球攻擊腫瘤細(xì)胞后，微球負(fù)載的藥物就被釋放出來，其釋放藥物的速度和數(shù)量可以很容易地檢測到和被控制，這就大幅度降低了不良反應(yīng)的發(fā)生，所以在臨床醫(yī)學(xué)上就表現(xiàn)出了一種奇特的治療策略，尤其在腫瘤的治療上.第二，細(xì)菌微納米生物機(jī)器人就是一個藥物輸送系統(tǒng)，學(xué)者們對其功能微球和微囊材料也進(jìn)行了精心的選擇，并且對材料的表面性質(zhì)、緩釋性能以及尺寸的大小都進(jìn)行了科學(xué)的設(shè)計(jì)，把藥物合理地包埋到材料之中.這樣可以按照人們的意愿，把所需的藥物按照預(yù)期的速度在所需的時間內(nèi)釋放到所需的地點(diǎn)，極大提高了藥物的療效，取得了理想的治療效果.第三，細(xì)菌微納米生物機(jī)器人能攜帶診斷性的藥物及離子等進(jìn)入機(jī)體內(nèi)，可以對體內(nèi)的腫瘤實(shí)施監(jiān)控和預(yù)報(bào)，達(dá)到早期診斷、早期治療的目的.

4　存在的問題及展望

目前雖然細(xì)菌微納米生物機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了諸多可喜的成績，但是有很多關(guān)鍵性的技術(shù)問題仍然沒有得到解決，還處于實(shí)驗(yàn)探索階段，有待于突破和改進(jìn)，它的概念、理論及內(nèi)涵也需要不斷地充實(shí)、豐富與發(fā)展.例如，細(xì)菌壽命的提高、高效率和高穩(wěn)定性細(xì)菌的培養(yǎng)、微球藥物在體內(nèi)的可控釋放、細(xì)菌與微球的有效連接以及微機(jī)器人的閉環(huán)控制等技術(shù)難題急需進(jìn)一步解決.細(xì)菌微納米生物機(jī)器人的藥物輸送系統(tǒng)在腫瘤治療中的可行性、用于臨床醫(yī)療的生物安全性、細(xì)菌及藥物載體的降解性等問題仍需要進(jìn)一步探索.把磁場技術(shù)和光遺傳學(xué)技術(shù)結(jié)合起來用于細(xì)菌微納米生物機(jī)器人中，操控技術(shù)需要取得重大突破.由此可見，雖然細(xì)菌微納米生物機(jī)器人技術(shù)面臨很多急需解決的問題和諸多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，但它是一個朝陽產(chǎn)業(yè)，仍然具有巨大的發(fā)展?jié)摿蜆O其廣闊的應(yīng)用前景，它為臨床上快速有效地診斷和治療棘手、疑難、多發(fā)的腫瘤提供了一個嶄新的方法和獨(dú)特的途徑.深信隨著對微生物特性和高分子納米材料探討的不斷深入，將會有功能更多、實(shí)用性更強(qiáng)、療效更好的細(xì)菌微納米生物機(jī)器人用于醫(yī)學(xué)臨床之中.

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