工程化细菌基生物混合微机器人：磁扭矩驱动控制在肿瘤靶向治疗中的突破

《Cell Reports Physical Science》：Engineering bacterial-based biohybrid microrobots for magnetic torque-driven control

本研究针对细菌基微机器人纳米颗粒覆盖率低、磁控效率不足的问题，开发了基于钙离子介导的脂多糖弯曲和磁场引导功能化新策略，实现了每个大肠杆菌约1,000个磁性纳米颗粒的高效负载。通过旋转磁场驱动，工程化"BacBots"在3D肿瘤模型中展现出5倍增强的定植能力，为精准医疗提供了新型靶向递送平台。

　　

在精准医疗快速发展的今天，如何将治疗药物精准递送到病灶部位一直是生物医学工程领域的重大挑战。传统纳米药物载体往往受限于体内屏障穿透能力不足，而自然界中具有自主运动能力的微生物则为这一难题提供了全新思路。特别是大肠杆菌等益生菌，凭借其天然的肿瘤趋向性和强大的运动能力，成为理想的药物递送载体。然而，单纯依赖细菌自身的运动能力难以实现精确的外部控制，这就需要将生物系统与合成材料巧妙结合，开发新一代智能生物混合系统。

磁性控制技术因其良好的组织穿透性和生物相容性，被视为实现微机器人精准操控的理想手段。早期的细菌基微机器人主要依赖静态磁场进行导向控制，或利用磁场梯度产生的拉力进行牵引。但这些方法存在明显局限：细菌自身推力有限，而磁场梯度会随距离增加迅速衰减，严重影响在深层组织中的操控效果。相比之下，旋转磁场能够产生持续的磁扭矩，为微机器人提供更强的推进力，且不受组织深度限制。然而，实现有效的扭矩驱动需要细菌表面负载足够数量且具有良好各向异性的磁性纳米颗粒，这恰恰是当前技术面临的主要瓶颈。

以往的研究中，细菌的磁性功能化往往面临纳米颗粒负载量低、结合不稳定的问题。特别是对于具有复杂荚膜结构的益生菌株，其表面的脂多糖层会产生空间位阻，严重阻碍纳米颗粒与膜蛋白的有效结合。此外，磁性纳米颗粒在细菌表面的随机分布会导致磁各向异性不足，即使负载量增加也难以产生有效的磁扭矩。这些技术瓶颈严重限制了细菌基微机器人在临床中的应用前景。

针对这些挑战，苏黎世联邦理工学院Simone Schuerle教授团队在《Cell Reports Physical Science》上发表了创新性研究成果。研究人员开发了一套高效可靠的磁性功能化策略，成功实现了每个大肠杆菌约1,000个磁性纳米颗粒的高负载量，并通过磁场引导组装技术显著提升了磁各向异性，使工程化的"BacBots"微机器人能够在旋转磁场驱动下产生强大的推进扭矩。

研究团队采用的关键技术方法包括：通过应变促进叠氮-炔环加成反应实现磁性纳米颗粒与细菌表面的共价连接；利用钙离子可逆络合作用暂时弯曲脂多糖层以克服空间位阻；在Lee-Whiting线圈中施加均匀磁场引导纳米颗粒有序排列；采用马尔可夫链蒙特卡洛模拟量化磁各向异性对扭矩产生的影响；建立3D肿瘤球体模型评估微机器人的肿瘤穿透能力。

磁性功能化策略的设计与优化

研究人员选取了三类具有不同膜结构特征的大肠杆菌菌株：缺失O抗原的BL21(DE3)、具有半粗糙型脂多糖的Nissle 1917，以及K5荚膜缺失的Nissle 1917 ΔkfiC。通过比较发现，荚膜复杂度最低的BL21菌株表现出最佳的磁响应性，而具有完整荚膜的Nissle 1917几乎无磁响应，证实了荚膜结构对纳米颗粒结合的关键影响。

功能化过程中，研究人员首先通过酰胺键反应将二苯并环辛炔修饰到细菌膜蛋白的游离氨基上，随后与叠氮功能化的磁性纳米颗粒进行环加成反应。有趣的是，即使成功连接了二苯并环辛炔，透射电镜显示仅有少量纳米颗粒能够有效结合。进一步研究发现，脂多糖层的空间位阻是限制结合效率的主要因素。

钙离子介导的脂多糖弯曲机制

受自然界中二价离子能够诱导带负电的脂多糖链向细菌膜弯曲的启发，研究团队在反应体系中引入氯化钙。电镜分析证实，钙离子处理使结合到细菌上的纳米颗粒数量显著增加。通过乙二胺四乙酸螯合去除钙离子后，细菌聚集现象得到有效逆转，同时保持了较高的纳米颗粒负载量。

磁场引导增强磁各向异性

为提升磁各向异性，研究人员在纳米颗粒结合过程中施加30毫特斯拉的均匀磁场。结果表明，磁场引导功能化的细菌响应比例从27%±5%提升至61%±8%，且响应性与磁场强度直接相关。扫描电镜显示纳米颗粒在细菌表面呈现均匀分布，而最近邻距离分析表明磁场引导促进了纳米颗粒的紧密聚集。

磁扭矩的模拟与实验验证

通过马尔可夫链蒙特卡洛模拟，研究人员量化了磁晶各向异性和形状各向异性对扭矩产生的相对贡献。模拟结果显示，当纳米颗粒晶体轴定向排列时，即使负载量仅为50个颗粒，其产生的最大扭矩也优于200个随机取向颗粒的情况。这一发现强调了各向异性优化比单纯增加负载量对提升扭矩更有效。

细菌活力与增殖特性

功能化后的BacBots保持了较高的代谢活性和增殖能力，在LB培养基和DMEM培养基中均表现出与未处理菌株相当的生长曲线。值得注意的是，纳米颗粒在细菌分裂过程中并非均等分配，而是在分裂前通过主动脱落机制减少负载量，确保子代细菌的正常增殖。

肿瘤球体穿透性能评估

在三维肿瘤球体模型中，表达绿色荧光蛋白的BacBots在20毫特斯拉、4赫兹旋转磁场驱动下，其肿瘤积累量相比未激活对照组提高5倍。相比之下，作为基准的磁螺菌虽在激活下积累量提升8倍，但绝对数量远低于BacBots，体现了益生菌株固有的肿瘤粘附优势。

本研究通过创新性的表面功能化策略，成功解决了细菌基微机器人磁性负载量低和各向异性不足的技术瓶颈。钙离子介导的脂多糖弯曲方法为克服革兰氏阴性菌外膜空间位阻提供了普适性方案，而磁场引导功能化则显著提升了纳米颗粒的定向排列程度。研究证实，磁各向异性的优化比单纯增加纳米颗粒数量对扭矩提升更为关键，这一发现为未来微机器人设计提供了重要指导原则。

值得注意的是，基于大肠杆菌Nissle 1917的BacBots展现出优于天然磁螺菌的肿瘤定植能力，这主要归因于益生菌株特有的黏附素表达和肿瘤微环境适应能力。同时，研究团队建立的马尔可夫链蒙特卡洛模型为定量分析微机器人磁性能提供了可靠工具，有助于指导后续的性能优化。

该技术的临床转化前景广阔，功能化后的细菌在保持活力的同时，可通过遗传工程进一步改造为智能药物递送系统，实现治疗药物的原位合成与可控释放。然而，荚膜缺失可能影响细菌在体内的循环时间，未来需要在免疫逃逸与磁控效率之间寻求最佳平衡。此外，纳米颗粒间磁偶极相互作用导致的聚集效应也需要通过表面修饰等策略进一步优化。

这项研究不仅推动了细菌基生物混合微机器人的技术进步，更为精准医疗时代的靶向治疗提供了创新性解决方案，标志着磁性微纳机器人在生物医学应用领域迈出了重要一步。