综述：外泌体驱动的生物混合纳米机器人：生物医学创新中自然与纳米技术的桥梁

本综述系统阐述了外泌体（EV）与纳米机器人技术融合的前沿进展，重点介绍了其在靶向药物递送、基因治疗和精准医疗中的应用潜力。文章详细讨论了外泌体的生物发生、分子组成、工程化修饰策略（如LAMP-2B介导的靶向肽展示）及其与磁性（Fe3O4）、光热（金纳米）等合成材料的杂交设计，强调了其在克服血脑屏障（BBB）、肿瘤靶向（如EGFR/GE11肽）和免疫调控方面的独特优势，同时指出规模化生产和安全性等挑战。

　　

1. 引言

纳米机器人技术通过纳米材料和纳米技术的结合，已成为生物医学领域的革命性前沿。这些纳米尺度的机器人系统在生物传感、疾病诊断和靶向治疗中展现出巨大潜力，其尺寸与蛋白质、病毒等生物结构相匹配，能够实现精确的血管内或细胞内干预。外泌体（Exosomes）作为细胞外囊泡（EVs）的重要亚型，直径约30-150纳米，起源于内体途径的多泡体（MVBs），富含蛋白质、脂质和核酸等生物活性分子，是细胞间通信的关键介质。近年来，通过将外泌体与工程化纳米材料结合，研究人员开发出具有自主导航能力的生物混合纳米机器人，为克罗恩病、1型糖尿病和COVID-19等疾病的治疗提供了新思路。

2. 外泌体与细胞外囊泡

外泌体和其他EVs是由几乎所有细胞类型分泌的纳米级膜结合颗粒，在细胞间通信中扮演重要角色。它们通过传递蛋白质、脂质、代谢物和核酸等生物活性分子，参与免疫调节、干细胞维持、神经信号传导和组织再生等生理过程，同时也与癌症、神经退行性疾病、心血管疾病和炎症等病理过程密切相关。外泌体的脂质双层膜由鞘磷脂、胆固醇和神经酰胺等组成，不仅提供膜刚性，还参与货物分选、外泌体形成和释放过程。其内部携带的核酸包括基因组DNA、信使RNA（mRNA）和多种非编码RNA（如miRNA、lncRNA等），这些分子在基因表达调控和疾病进展中发挥重要作用。

2.1. 外泌体的生物学组成

外泌体的分子内容物反映了其母细胞的类型和生理状态，使其成为高度动态和细胞类型特异性的信使。外泌体膜上特征性的四跨膜蛋白（如CD9、CD63、CD81）、主要组织相容性复合物（MHC）以及支架蛋白（如annexins和flotillins）在膜运输、免疫调节和细胞间通信中起关键作用。内部携带的mRNA、microRNA（miRNA）、热休克蛋白和磷脂酶等功能性生物分子，使其能够跨细胞转移功能性生物分子。这种天然结构为工程化外泌体纳米载体和生物混合纳米机器人提供了生物学蓝图。

2.2. 多泡体中的外泌体生物发生

外泌体的生物发生与内体系统密切相关，特别是通过多泡体（MVBs）内腔内囊泡（ILVs）的形成。当MVBs与质膜融合时，ILVs作为外泌体被分泌到细胞外空间。外泌体分泌受到Rab GTP酶家族成员（如Rab27a、Rab27b、Rab11和Rab35）的严格调控，这些蛋白参与细胞内囊泡运输和膜 trafficking过程。内体分选复合物（ESCRT） machinery在这一过程中起核心作用，驱动膜内陷和货物分选。了解这些分子调控机制的复杂相互作用，对于利用外泌体开发靶向治疗递送系统至关重要。

3. 纳米机器人技术的基本原理与设计

纳米机器人技术致力于研究和开发最大尺寸在微米级的人工机器，用于广泛的现实应用。这些纳米机器通常由金属、聚合物或生物分子等材料组成，尺寸在1-100纳米之间。功能型纳米机器人必须整合支持传感、推进、导航和环境交互的特征。智能纳米机器人通常对pH、温度、磁场或生物分子信号等各种刺激有响应，从而能够实现位点特异性递送并减少脱靶效应。推进可以通过生物或外部引导方式实现，如使用声学、磁力或光力。

3.1. 与纳米技术结合的生物混合纳米机器人

生物混合纳米机器人代表了生物构建块与工程纳米材料的融合，能够创建具有主动导航和靶向治疗能力的多功能系统。外泌体凭借其天然稳定性、靶向能力和货物携带能力，为构建此类纳米机器人提供了独特的生物支架。与纯合成纳米结构不同，外泌体基混合系统将生物相容性与设计灵活性相结合，为精准医疗提供了转化潜力。这些系统通常通过将合成纳米颗粒涂覆细胞膜或将其嵌入生物衍生囊泡中，使混合系统能够逃避免疫检测并模拟自然细胞行为。

3.2. 工程化外泌体基纳米机器人

工程化外泌体基生物混合纳米机器人通常涉及将外泌体的天然囊泡特性与合成纳米材料或推进系统整合，以实现增强的功能性。虽然外泌体是天然衍生的，但仍可以使用各种形式的基因工程技术进行操纵。例如，外泌体已被涂覆在磁性纳米颗粒上，实现在小鼠模型中远程控制导航穿过血脑屏障。类似地，金-外泌体混合纳米结构已被制备用于实现光触发药物释放，并改善肿瘤穿透性。另一种方法涉及将外泌体与催化纳米马达耦合，将化学能转化为推进力，提高在缺氧肿瘤环境中的药物递送效率。

3.3. EV衍生的纳米机器人

EV衍生的纳米机器人是一类新型生物启发纳米设备，通过考虑EVs（如外泌体和微囊泡）的天然特性设计用于精确生物医学应用。当研究人员开发EV衍生纳米机器人时，他们使用EV的天然结构作为生物底盘，并将功能性纳米材料释放到EV内部或调节功能性纳米材料到EV表面。构建方法可以多种多样，包括通过引入功能性配体、肽或抗体进行表面修饰，增强组织或细胞特异性；将磁性或等离子体纳米颗粒纳入EV结构，提供引导导航和成像功能。EV的装载可以通过被动装载（如孵育）或主动装载技术（如电穿孔、超声或挤压）实现。混合设计还可以纳入响应元件，使纳米机器人能够根据病理位点的环境信号（如pH、温度、酶活性）释放其货物。

4. 外泌体基纳米机器人的功能

先进的外泌体基纳米机器人展示出许多潜在的超功能，使其在生物医学应用中非常有用，特别是作为靶向治疗和诊断工具。主要功能之一是药物递送——小分子、生物药物、RNA、CRISPR-Cas系统等——以高精度靶向病变细胞，全身毒性最小。外泌体的生物源性使其能够避免被免疫系统检测并穿越生物屏障，如血脑屏障，用于治疗神经系统疾病和癌症作为药物递送载体。另一个基本功能是可能在这些纳米机器人表面工程化靶向配体或抗体，以进一步特异性递送至特定细胞类型或肿瘤标志物。这些纳米机器人甚至可以编程带有成像剂，如荧光染料或磁性纳米颗粒，实现实时可视化定位和武器线索在组织中的积累。

4.1. 治疗性货物递送

外泌体基生物混合纳米机器人由于其独特的生物相容性、先天靶向能力和工程化功能化的能力，正在成为高度有前景的治疗性货物递送载体。这些纳米机器人可以封装治疗性货物，并通过被动分布（如增强渗透性和保留效应）和使用配体、适体或抗体的主动靶向机制将其导向特定组织或细胞。与纯合成微型机器人不同，后者经常面临免疫清除和生物相容性限制，外泌体驱动的纳米机器人利用其天然囊泡结构将药物、核酸或蛋白质直接封装并递送至病变组织。

4.2. 白细胞和红细胞基混合微型机器人

基于白细胞和红细胞的混合微型机器人已被广泛研究，因为它们具有天然的免疫逃逸和长循环特性，使其成为概念验证演示的有吸引力的选择。白细胞，也称为白血球（WBCs），是免疫系统细胞，帮助保护身体免受癌症、传染病和外来入侵者的侵害。通过利用其先天特性/功能（如趋化性和分泌），白细胞已被工程化成生物混合微型机器人。巨噬细胞是先天免疫系统的关键组成部分，在发育、稳态、疾病和其他生理过程中发挥作用。

5. 生物医学应用

纳米技术发展的一个有趣且深入开发的领域是纳米机器人的创建，它由工程化到纳米级及更小组件组成。许多领域可以从纳米机器人中受益，许多领域正在被研究。纳米生物技术是在纳米尺度上设计技术，如药物和机械装置，用于研究生物系统和治疗病理学。

5.1. 肿瘤学

提高癌症患者的治疗质量和医疗结果，并减轻肿瘤疾病及其治疗相关的死亡率和发病率是医学研究所确定的目标之一。鉴于人口老龄化和由此产生的癌症诊断，对此类升级的需求日益增长。纳米技术在癌症治疗中显示出前所未有的进展。纳米颗粒技术在提高癌症成像工具敏感性、降低耐药性和开发转移治疗方面开始发挥越来越大的作用。

5.2. 神经外科

从理论提案开始，纳米技术已发展成为一个蓬勃发展的思想领域，并且目前是积极实践研究和进步的主题。神经外科理想地定位于从纳米技术提供的许多进步中获益，因为它经常在微观水平上操作。这些包括许多其他优势，如更少侵入性的颅内监测、更好的病理检测和药物递送。微机电系统生产的进步显著加速了我们在不断减小的尺度上操作的能力。

5.3. 血液科学

血液学领域拥有完善的研究基础，支持纳米医学和纳米机器人技术的有前景应用。这些创新为血液相关疾病的诊断、治疗和患者护理提供了显著潜力。纳米机器人在血液学中的应用很多，包括从恢复初级止血到紧急输注非血液携氧化合物。一种称为呼吸细胞的纳米机器人是当前正在设计的这些设备之一。

6. 挑战与考量

虽然使用外泌体和EVs的生物混合纳米机器人在靶向治疗和诊断方面极具前景，但它们目前受到许多临床转化挑战和考量的阻碍。最关键的 issues之一是EV分离和纯化方法缺乏标准化和可扩展性。超速离心、尺寸排阻色谱和微流体等方案选项对于小规模EV分离是有效的方法，但对于更大的应用，它们可能不够一致、产量或保持纯度。

6.1. 生物相容性和安全性问题

生物相容性和安全性是开发和临床使用外泌体和EV基生物混合纳米机器人中最关键的考量。虽然外泌体和EVs是天然载体，因此具有生物相容性，但它们发展成工程化纳米机器人会导致一些安全问题。一个重要的考量是免疫原性，当外泌体来源于非自体材料或当外泌体表面蛋白通过合成材料或靶向配体从天然表面组成修改时，可能会加剧免疫原性。

6.2. 可扩展性和生产挑战

外泌体和EV基生物混合纳米机器人的大规模生产存在若干技术和物流挑战，限制了它们在临床和工业环境中的更广泛应用。创建生物混合纳米机器人的一个特别显著的挑战集中在以足够数量和统一质量分离和纯化EVs。分离和纯化EVs的主要方法，包括差速超速离心、尺寸排阻色谱和密度梯度离心，对于实验室制备是有效的，但耗时、劳动密集且不适合高通量生产。

6.3. 监管和伦理考量

外泌体和EV基生物混合纳米机器人为健康应用提供了巨大潜力，但也提出了独特而复杂的监管和伦理问题，必须考虑以确保其安全适当使用。关于监管推进，这些系统通过外泌体和EVs将生物材料与合成纳米结构结合，增加了设备分类的复杂性。这些设备的生物/合成组合性质不符合生物制剂、医疗器械或药物的传统类别，表明监管批准的途径将很复杂。

7. 前景与新兴应用

外泌体和EV基生物混合纳米机器人前景光明，它们有潜力彻底改变生物技术、诊断和医学的几个领域。外泌体基纳米机器人可能在靶向基因编辑中以高效率和小的免疫反应传递CRISPR-Cas9组件，这是一个新兴应用。再生医学是另一个快速扩展的领域。这些生物混合系统可能直接将生长因子或干细胞衍生的囊泡递送至受伤组织，促进再生和修复。

7.1. 纳米机器人技术的进步

EVs的固有生物活性和合成纳米材料的可编程性有利于这些混合系统，这些系统将生物材料与工程化纳米组件结合。EVs和外泌体的准确功能化是最显著的进步之一。研究人员通过添加靶向配体、肽或抗体到其表面，提高了纳米机器人识别和结合细胞类型或疾病标志物的能力。此外，表面工程允许纳入成像剂，如磁性材料、荧光染料和金纳米颗粒，实现实时跟踪和诊断成像纳米机器人在生物体内的运动和定位。

7.2. 潜在的颠覆性创新

预计这些生物混合体的设计、优化和部署将完全转变通过将AI和机器学习算法纳入纳米机器人系统。AI驱动模型正在迎来一个精确和个性化的时代，可以评估庞大数据集并预测最有效的货物组合、靶向配体和递送路线，为疾病或个体患者定制。创建自我调节纳米机器人，智能设备可以识别疾病特异性生物标志物并自行决定何时何地释放其治疗有效载荷，是最令人兴奋的未来方向之一。

8. 结论

如今，外泌体和EV基生物混合纳米机器人代表了纳米医学的革命性进步，将EVs的天然靶向能力和生物相容性与工程化纳米材料的功能精确性相结合。这些混合系统为靶向药物递送、诊断和实时疾病监测提供了有前景的途径，特别是在肿瘤学和神经学中，精确性和屏障穿透性至关重要。它们作为治疗诊断剂、递送遗传或化疗有效载荷以及与病变组织选择性相互作用的能力，为个性化和再生医学开辟了新途径。然而，可扩展性、长期安全性、标准化和监管批准仍然存在。随着生物技术、人工智能和纳米技术的持续整合，生物混合纳米机器人有望重新定义精准医疗的格局，为复杂医疗条件提供微创、智能的解决方案。