磁驱动金纳米棘机器人通过机械扰动增强跨膜药物递送突破肿瘤治疗屏障

研究人员针对肿瘤化疗中细胞膜屏障阻碍药物递送的关键难题，开发了镍钛修饰的金纳米棘磁驱动机器人(MAuNSs)。通过外部磁场精准导航，利用纳米棘旋转产生的机械力扰动细胞膜，显著提升膜通透性，促进小分子药物(如DOX)的跨膜转运。分子动力学模拟揭示了机械干预调控脂质双分子层渗透性的机制，体内实验证实其协同增强抗肿瘤效果。该研究为克服耐药性提供了非化学依赖的新策略，推动了磁控纳米机器人在精准医疗中的应用。

　　

细胞膜作为天然屏障，严重限制了化疗药物在肿瘤治疗中的递送效率。传统依赖被动扩散或内吞作用的递送方式面临分子大小、极性限制及耐药细胞外排蛋白(如ABC转运蛋白)的多重阻碍。尽管微纳机器人技术为主动递送带来新思路，但机械力与细胞膜的相互作用机制尚不明确。

南方医科大学第十附属医院的研究团队在《Research》发表创新成果，设计出具有海胆状纳米棘结构的磁控金纳米机器人(MAuNSs)。该机器人通过电子束沉积依次包覆镍(磁性层)和钛(生物相容层)，在旋转磁场下产生局部高达0.55 Pa的机械压力，形成"磁力手术刀"效应。研究结合COMSOL流体力学模拟、粗粒化分子动力学(CGMD)和活体实验，首次系统阐释了机械力增强跨膜递送的物理机制。

关键技术包括：1) 铂基底原位合成500 nm金纳米棘；2) 三维亥姆霍兹线圈实现μm级运动控制；3) 激光共聚焦显微镜动态观测膜通透性变化；4) 建立HepG-2肝癌小鼠模型验证协同治疗效果。

【结果】

磁性金纳米棘机器人的制备与表征：SEM显示MAuNSs具有150-500 nm长度、5°-20°锐角的纳米棘结构，UV-Vis在660 nm处的特征峰证实金纳米结构存在。EDX图谱证实镍(40 nm)和钛(20 nm)层的均匀包覆。

磁控运动行为：在1.12 T/m梯度场下达到9.40±0.38 μm/s的平移速度，16 Hz旋转场产生59°/s角速度。有限元分析显示棘尖区域流体涡流速度达7.7 μm/s，是平滑区的5.1倍。

单细胞靶向与机械递送：CLSM证实机器人可精准锚定HepG-2细胞膜。在16 Hz磁场下，药物荧光强度比对照组提升3.2倍，且呈时间-频率依赖性。Calcein-AM/PI双染显示旋转组细胞死亡率达78.6%。

分子机制模拟：CGMD显示1/5,000τ^-1转速下，纳米棘产生4.2 nm²的膜孔道，使模型药物(2 nm NP)跨膜数量增加5.8倍。膜脂密度分析揭示机械力导致局部双层结构重组。

体内协同治疗：MAuNSs联合DOX使小鼠肿瘤体积抑制率达61.1%，显著高于单一治疗组(磁疗31.1%，化疗48.5%)。H&E染色显示实验组肿瘤出现广泛坏死(78.6%)，且主要器官未发现转移灶。

该研究证实机械力干预可物理性克服细胞膜屏障和耐药性双重阻碍，为肿瘤精准治疗提供新范式。MAuNSs的创新设计实现了：1) 磁场时空可控的机械给药；2) 非化学依赖的膜通透性调节；3) 化疗-机械治疗的协同效应。未来通过优化纳米棘几何参数和靶向修饰，该技术有望拓展至神经退行性疾病等跨膜递送难题的解决。