由葡萄糖驱动的超微型趋化性纳米机器人，用于视网膜退化治疗

《Journal of the American Chemical Society》：Glucose-Powered Ultrasmall Chemotactic Nanorobots for Retinal Degeneration Treatment

视网膜退化的纳米机器人靶向治疗研究。设计单原子工程化学驱动纳米机器人，利用葡萄糖催化氧化产生动力，克服玻璃体屏障靶向视网膜。体外和体内实验表明，该纳米机器人能快速穿透玻璃体并积累在视网膜细胞中，通过抗氧化和免疫调节作用显著延缓视网膜退化。纳米机器人直径小于10 nm，利用中性自扩散泳动力机制实现主动运动，与磁性或光驱动的传统纳米机器人相比具有更小的尺寸和更好的生物相容性。在猪眼视网膜和健康/病变小鼠模型中验证，纳米机器人可穿过玻璃体到达视网膜层，并降低促炎因子IL-1β、TNF-α和VEGF表达，同时激活抗氧化酶SOD1和CAT活性。该技术突破传统被动扩散限制，治疗效率较340 nm大颗粒提高10倍，具有临床转化潜力。

　　近年来，随着全球人口老龄化趋势的加剧，视网膜退行性疾病已成为一种日益严峻的健康挑战。这类疾病，包括年龄相关性黄斑变性（AMD）和糖尿病视网膜病变，不仅影响视力，还可能导致严重的失明风险。目前，针对这些疾病的治疗手段主要依赖于玻璃体注射治疗药物，但这一方法受到玻璃体屏障的限制。玻璃体是一种浓稠的凝胶状结构，其物理和化学特性使得药物难以有效扩散到视网膜，从而影响治疗效果。为了解决这一难题，科学家们开始探索一种新的药物递送系统，即通过主动运动的微/纳米机器人来实现对视网膜的精准靶向治疗。

本文中，研究人员设计了一种具有趋化特性的纳米机器人，利用单原子工程方法构建出超小尺寸的纳米机器人，能够通过催化葡萄糖的氧化反应产生机械运动，从而主动导航穿越玻璃体屏障，最终抵达视网膜组织。这种纳米机器人以单原子金或金簇为催化剂，结合完全生物相容的氧化铈纳米颗粒作为载体，展现出良好的生物兼容性和功能特性。相较于传统的酶促纳米机器人，该设计在尺寸上更小，同时避免了金属成分的潜在毒性问题，提高了其在生物环境中的稳定性和安全性。

实验结果表明，这些纳米机器人能够在体外组织和体内小鼠模型中有效穿越玻璃体，实现对视网膜细胞的靶向作用。纳米机器人的超小尺寸（小于10纳米）和主动运动能力，使其在复杂的生物环境中表现出显著的扩散和趋化能力。在体内实验中，纳米机器人能够快速到达视网膜，而较大的纳米颗粒则需要数小时才能完成类似的扩散过程。这说明，纳米机器人的尺寸优势在实现高效药物递送方面具有重要意义。

进一步的体内实验表明，这些纳米机器人不仅能够穿越玻璃体到达视网膜，还展现出强大的双重抗氧化和免疫调节作用。在诱导视网膜退行性病变的小鼠模型中，纳米机器人显著延缓了疾病进展，其作用机制与基因表达水平的变化密切相关。具体而言，纳米机器人通过调节关键基因的表达，如与光感受器完整性相关的视紫红质、与细胞凋亡相关的Bax、与炎症和微胶质细胞激活相关的Iba-1、Gfap、IL-1β和Galectin-3，以及与氧化应激反应相关的超氧化物歧化酶（SOD1）和过氧化氢酶（catalase），从而有效抑制了炎症反应和氧化损伤，保护了视网膜组织。这些发现为纳米机器人在视网膜疾病治疗中的应用提供了坚实的理论基础。

纳米机器人的趋化特性是其在体内实现精准递送的关键。通过在葡萄糖浓度梯度下，纳米机器人能够主动向更高浓度的葡萄糖区域迁移，这一过程可能受到葡萄糖氧化反应和氢过氧化物分解反应的共同驱动。在体外实验中，研究人员使用了Y型微流控通道，观察到纳米机器人在葡萄糖浓度梯度引导下表现出显著的趋化行为。实验结果显示，TPP-Au11-CeNPs纳米机器人在葡萄糖浓度梯度作用下表现出最强的趋化性，其横向迁移距离达到173微米，显著优于未修饰的CeNPs。

在实际应用中，纳米机器人的运动特性对于其在生物组织中的分布和功能发挥至关重要。通过使用高分辨率HAADF-STEM成像技术，研究人员确认了纳米机器人在CeNPs上的分布情况。此外，通过动态光散射（DLS）和紫外-可见光谱（UV–vis）分析，纳米机器人在不同葡萄糖浓度下的扩散行为也得到了详细研究。实验结果表明，纳米机器人在葡萄糖存在的情况下，其扩散系数显著提高，且在高粘度环境中仍能保持良好的运动能力。这种特性使其能够在复杂的生物流体中实现高效递送，为视网膜疾病的治疗提供了新的思路。

值得注意的是，纳米机器人在体内的应用还需要进一步评估其长期生物分布和安全性。目前的研究显示，纳米机器人在健康小鼠体内主要聚集于视网膜组织，且在7天后仍然保持较低的毒性水平。然而，对于长期暴露下的生物行为，如纳米机器人的降解过程和潜在的免疫反应，仍需进一步研究。此外，纳米机器人在体内运动过程中可能受到多种因素的影响，包括生物屏障的结构、体内环境的动态变化以及可能的免疫排斥反应，这些都需要在未来的临床转化过程中进行系统评估。

从临床应用的角度来看，纳米机器人技术为视网膜疾病的治疗带来了新的希望。传统的玻璃体注射治疗虽然能够缓解部分症状，但其局限性在于需要频繁操作，且存在一定的并发症风险。相比之下，纳米机器人可以通过主动运动直接递送药物至目标部位，减少对正常组织的损伤，提高治疗的精准度和安全性。此外，纳米机器人还具备免疫调节功能，能够有效抑制过度的炎症反应，从而保护视网膜细胞免受进一步损害。

在实验方法上，研究人员采用了多种技术手段，包括体外组织模型、体内小鼠模型以及细胞实验，全面评估了纳米机器人在生物环境中的行为。例如，在体外实验中，纳米机器人能够被HT1080细胞有效内化，并在细胞内部表现出明显的运动行为。而在体内实验中，纳米机器人通过玻璃体注射能够到达视网膜，并在特定的细胞层中聚集，显示出其在视网膜中的定位能力。通过荧光显微镜和共聚焦显微镜，研究人员能够直观地观察到纳米机器人在视网膜中的分布情况，以及其与细胞之间的相互作用。

在基因表达层面，研究人员进一步探讨了纳米机器人对视网膜退行性病变的调控机制。实验结果显示，TPP-Au11-CeNPs纳米机器人能够显著上调视紫红质的表达，同时下调促炎性细胞因子如IL-1β、TNF-α和VEGF的表达，从而抑制炎症反应和氧化应激。这些基因表达的变化与纳米机器人在视网膜中的实际治疗效果相吻合，表明其具有显著的保护作用。此外，纳米机器人还能够调节微胶质细胞的激活状态，减少其对视网膜的损伤，这为视网膜疾病的治疗提供了新的靶点。

纳米机器人技术的发展不仅依赖于其运动能力，还需要在生物相容性和功能优化方面取得突破。研究人员通过使用聚（丙烯酸）作为表面修饰材料，减少了纳米机器人与生物大分子的非特异性相互作用，从而提高了其在体内的运动效率和靶向能力。此外，纳米机器人所采用的材料具有良好的生物相容性，能够在体内维持较长的时间，减少对正常组织的不良影响。这些特性使其在实际应用中更具优势。

综上所述，本文的研究成果展示了基于单原子工程的趋化纳米机器人在视网膜疾病治疗中的巨大潜力。通过利用葡萄糖作为能源，纳米机器人能够在复杂的生物环境中实现主动运动和精准靶向，从而克服玻璃体屏障，将药物有效地递送至视网膜。其双重抗氧化和免疫调节功能不仅能够延缓疾病进展，还能够保护视网膜细胞免受进一步损伤。这些发现为纳米机器人在非侵入式治疗中的应用提供了理论依据和实验支持，同时也为未来的研究指明了方向。尽管目前的研究仍处于初步阶段，但其在提高治疗效率、减少副作用以及实现精准递送方面的潜力，无疑为视网膜疾病的治疗带来了新的希望。