细菌微机器人的研究进展

梁耀杰，孙君重

中国人民解放军总医院　第一附属医院干部三科，北京 100048



·综述·

细菌微机器人的研究进展

梁耀杰，孙君重

中国人民解放军总医院第一附属医院干部三科，北京 100048

细菌微机器人概念一经提出，就受到了广大科研工作者的重视，成为近年多学科交叉研究的热点。其中对于恶性肿瘤的早诊早治以及降低化疗的不良反应等方面展示了其独特的优势和巨大的应用潜力。本文结合国内外研究，拟就细菌机器人的概念、构造和医学应用进行综述，旨在拓展其医疗用途，造福肿瘤患者。

细菌微机器人；趋化性；趋磁性；靶向性；肿瘤早诊早治

ActaAcadMedSin，2016,38(4)：453-457

细菌微机器人的概念

细菌微机器人无确切定义，其概念不断被丰富，认同较高的说法是利用某些细菌独特的结构或特性通过生物工程学技术进行加工或组装，从而获得新功能或新生物系统[1]。同时细菌是一种简单有效的可以在人体血液(低雷诺数)依靠鞭毛快速运动的生物体，也为细菌微机器人的开发利用提供了可能。

细菌微机器人的研究现状

首先将细菌作为功能组件的是美国阿肯色州大学的Tung，他们将大肠杆菌固定在微流道内表面，依靠细菌的旋转形成一水泵来抽运微流道内的液体。2004年，Darnton等[2]将粘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。此后国际上相继展开了细菌微机器人研究的热潮，但国内相关课题的探讨与研究相对滞后。

趋化细菌微机器人沙门氏菌是一类胞内侵袭性兼性厌氧菌，减毒后任保留其抗原性，与常规肿瘤治疗相比，具有很多独特的功能。研究表明它可以感测、移动、聚集,并在实体肿瘤内扩增，比如结、直肠癌和乳腺癌。沙门氏菌在肿瘤内积累与正常组织相比约为1000∶1[3]。由于趋化受体和鞭毛、沙门氏菌在肿瘤微环境中可以直接朝着趋化分子信号移动，能够深入渗透肿瘤组织[4]。随着自我推进，它们能积极游动远离脉管系统和深入渗透到肿瘤组织，最重要的是，细菌能够自主运动，这能实现药品精确地释放在藏于深部的肿瘤组织[5]。因为沙门氏菌具有嗜肿瘤组织特性，已广泛用于肿瘤靶向治疗的研究[6]。韩国全南大学细菌机器人研究所研发出了可用于治疗癌症的细菌微机器人，可对大肠癌、乳腺癌等多种高发性实体癌症进行诊断与治疗[7]。该细菌微机器人的大小只有3 μm，由鼠疫减毒沙门氏菌和可用于包裹诊断或杀灭肿瘤药物的聚苯乙烯微球结构两部分组成，体内外研究证实，该细菌微机器人对肿瘤具有趋化移动性和靶向性[7]，它的成功开发在癌症诊断和治疗史上具有重要意义。

趋磁细菌微机器人具有高稳定性与效率的微驱动及微传感器的制造和集成对于微型机器人非常重要。许多研究人员试图通过组合多种技术解决这些问题，比如微/纳米机电系统、纳米技术和生物技术。在微型机器人很多的潜在生物医学应用中，如传感和治疗功能、驱动集成和微型电源的控制仍然存在困难。为有效控制和驱动微型机器人，一些研究者开发了磁性微型机器人，它由钕-铁-硼构成，通过电磁线圈系统驱使软磁性金属致动[8]。有的研究小组还开发了通过使用磁性材料及通过在两对线圈系统产生外部磁场控制的微型机器人[9]。一个新改进的使用两对项圈控制、磁力驱动的微机器人，位置误差可以减小到不足0.33 mm[10]。当前，很富有前景的一种是利用趋磁细菌构成的趋磁细菌微机器人。趋磁细菌是一类细胞内含有磁小体链的革兰阴性菌，在自然环境中，依靠鞭毛的旋转进行主动性的运动，依靠体内的磁小体链和地磁场的作用，趋向有利的生存环境[11]。另外，趋磁细菌通过趋磁性与趋化性或趋氧性的组合，很容易被控制。

2006年，Martel等[12]首先提出趋磁细菌微机器人构想，利用极性趋磁细菌MC- 1与1个3 μm 的聚苯乙烯微球相连，设计出了趋磁细菌微机器人，通过微电磁阵列产生的电磁场实现对趋磁细菌机器人的控制。自2006年以来，Martel小组在趋磁微细菌机器人方面进行了大量研究，正逐步向临床应用发展。2009年，Martel等[13]利用核磁共振梯度场实现了趋磁细菌微机器人在人造血管中的运动控制。2010年，Martel和Mohammadi[14]首次利用趋磁细菌进行微组装，通过控制趋磁细菌组成的机器人群进行协同搬运，将微米级的玻璃砖垒成一个微型金字塔。

混合动力微机器人由于细菌微机器人推力太小，难以在大血管中稳定定位肿瘤，电磁致动微机器人不具有自主肿瘤靶向性，难以准确定位小血管，使得精准瞄准肿瘤困难，因此，一个结合细菌运动性和电磁场制动的混合动力微机器人药物输送系统的新概念被提出[15]。近期，韩国全南大学又提出并实现了由电磁场和鞭毛细菌相结合的混合动力驱动微机器人，该微机器人能够沿着通过电磁场控制的路径和通过细菌的趋化性和运动性有效移动，从混合动力测试中，可以确认该微机器人通过电磁制动(electromagnetic actuation，EMA)和细菌致动的平均速度分别是5.82和0.9 μm/s，估算出微机器人通过EMA系统和通过细菌运动的阻力分别为1.92和0.27 pN，动力分别为FE=81.2 pN (EMA)和FB=10 pN[16]。因此，与动力相比，阻力可以忽略。由于EMA系统表现出较大的驱动力与高速可控性，适合宏观运动(大血管)；另一方面，细菌致动表现出小驱动力和慢速，但具有主动靶向性(类似于细菌的趋化性)，适合微观运动(小血管)。

其他类型细菌微机器人除了常见的趋化、趋磁细菌微机器人，研究者还开发出了趋光细菌微机器人。趋光性是指细胞对光刺激的反应，一般分为正趋光性和负趋光性。2007年，Steager等[17]利用沙雷菌的负趋光性进行对微结构的控制研究，一群粘质沙雷菌被连接到50 μm的SU- 8等边三角形上形成一个微结构，通过紫外光实现微结构的启停，但并未实现对细菌运动方向的控制。另外，还开发出了单核细胞微机器人，它由一个活的有机体(单核细胞)和无机材料(微珠)组成，用于肿瘤研究[18]以及通过光学感应热毛细流驱动的由单个酵母细胞和聚苯乙烯微球组成的光吸收水凝胶微机器人[19]。

细菌微机器人的重要组成部分

一个有效的细菌微机器人至少应满足几点：第一，治疗剂应封装到采用可生物降解和生物相容性较好的微球内；第二，对代表细菌微机器人诊疗功能的治疗剂释放速率应该予以控制；最后，有鞭毛的细菌应附于微珠，以确保微机器人能高效移动[20- 21]。

细菌的选择对于微机器人中细菌的选择，具有高运动性的细菌受到重视，如大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、粘质沙雷氏菌和趋磁细菌的一些菌株[22]。比如趋磁细菌的某些菌株已经被一些研究者使用，它们在磁场中能以200～300 μm/s的速度高活力移动[23]。另外，金黄色葡萄球菌也被用于趋磁细菌微机器人的研究[24]。但是，一些细菌，如大肠杆菌、粘质沙雷氏菌以及趋磁细菌菌株有一些缺陷，如复杂的增殖过程、细菌的耐药性和致病性，限制了它们作为微致动器在医学微型机器人上的使用，如趋磁细菌需要苛刻的生存条件以及复杂的电磁线圈系统、粘质沙雷氏菌有急性致病性。减毒伤寒沙门氏菌作为高动力鞭毛菌被研究者较多选择，因为它本身具有的优点如感测、移动、积聚，并在实体瘤(如结肠和乳腺癌)内复制[25]，显示出了对多种实体瘤独特的诊断和治疗特点[26- 27]。但自然倾向积聚在活体小动物肿瘤内的特性主要是对乏氧肿瘤[28]。

微球的种类功能性聚合物微球多种多样，有空心微球、多孔微球等。空心微球比表面积大、密度低、内部空腔可以提供存储空间，在许多领域有着广泛的应用前景。在生物医药材料领域，空心微球最重要的应用是药物负载和传递[29]。Shin等[30]证实用选择性刻烛法得到水分散性氧化猛空心微球不仅可以用于药物传递，还可以用作磁共振成像造影剂。Wang等[31]合成了Fe3O4/ZnS空心微球，这种材料不仅具有超顺磁性和荧光性，而且具有高的药物负载量和与传统Si02药物载体相当的缓释速度，可以分别在10和65 h完成50%和90%药物释放。微球的粒径可以通过控制模板的大小以及控制自组装微球的壁厚从10 nm到100 nm，从而根据需要制备出0.1～10 μm的尺寸可控、粒径均一的聚合物微球。聚合物微球按环境响应方式的不同还可分为pH敏感聚合物微球、磁性聚合物微球、温敏性聚合物微球以及多重响应型聚合物微球等。

细菌与微球的连接合成一个以细菌为基础的微型机器人最关键的步骤之一是把有鞭毛的细菌连接到功能载体上，许多研究人员尝试开发细菌和功能载体之间的连接[32]。目前用于细菌微机器人的功能载体通常选用聚苯乙烯微球[2]。对于细菌和功能微球的完全黏附，韩国全南大学提出了基于生物素和链霉亲和素之间高亲和作用的新的黏附方法，通过细菌外膜蛋白被改造后能较好地显示出的生物素和包裹在功能微球表面上的链霉亲和素紧密连接，最终，通过链霉亲和素和生物素之间的紧密结合成功组装成细菌微机器人[7]。

细菌微机器人的生物医学用途

细菌微机器人的优点主要有：细菌微机器人具有对肿瘤的趋化移动性和靶向性；含药物的微球碰撞肿瘤细胞后释放，减轻不良反应；向肿瘤细胞聚集具有自然倾向性，且能很好的被控制和检测到。总体来讲，细菌机器人依靠鞭毛提供动力，依靠趋化受体趋向肿瘤，依靠功能微球攻击肿瘤，细菌微机器人充当微传感器、微制动器和治疗剂的组合。细菌微机器人由于其独特的功能将有广泛的应用前景。因此，融合了机器人技术与生物技术的细菌微型机器人将呈现出一种新的抗肿瘤策略。

随着医疗技术逐步提高，人们对药物的疗效也提出了更高的要求。在实际的治疗过程中，很多药物不适宜直接使用或者直接使用达不到理想的治疗效果，于是研究者们釆用高分子材料包埋药物，同时合理地设计微球和微囊材料的尺寸、表面性质、缓释性能等，以所需的时间和地点，并以预期的速度释放出药物，这就是药物输送系统，而细菌机器人就代表了药物输送系统的一个非常有前景的方向。除此之外，细菌微机器人还可以携带诊断性离子等，实现对于肿瘤的早诊早治，真正实现对肿瘤的三级预防。

问题与展望

客观来讲，细菌微机器人的概念与理论不断丰富，但目前仍处于实验探索阶段，许多关键性技术有待改进与突破，比如具有高稳定性和效率的细菌的培养、功能微球药物的可控释放以及它们之间的有效连接等问题需要进一步优化。细菌机器人技术作为药物输送系统用于肿瘤治疗的可行性也仍有待进一步探讨。还有最为关键的细菌微机器人的生物安全性更需要进一步验证。虽然问题与挑战多多，但它都不失为一种有着巨大潜力和希望的诊断和治疗肿瘤等棘手医学问题的新方法。随着对微生物特性研究不断深入以及高分子纳米材料不断取得突破性进展，有理由相信将涌现出更多功能、更具有实用性的细菌微机器人造福患者。

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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

孙君重电话：010- 66848731，电子邮件：sjunzh07@163.com

R73

A

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

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

2015- 09- 09)