自适应鞘内纳米机器人在小鼠和非人灵长类动物中的导航中枢神经系统治疗

《SCIENCE ADVANCES》：Adaptive intrathecal nanorobotics in mice and nonhuman primates for navigated CNS therapy

　　

中枢神经系统（CNS）治疗的鞘内递送由于椎管解剖结构限制，尤其是人类尺度，缺乏时空控制。研究人员开发了一种自适应磁性纳米机器人平台，能够在小鼠和非人灵长类动物中实现多模式群运动用于体内椎管导航。实现了可编程的链状、涡旋状和带状群，并且涡旋群被指示为自适应鞘内导航的最佳策略。由机械臂产生的磁场驱动，涡旋群在椎管内导航超过厘米距离，磁性增强了在CNS目标部位的积累并延长了体内滞留时间，从而与传统被动血管内递送相比，显著提高了治疗效果，且副作用最小。在非人灵长类动物中的测试表明，纳米机器人群迁移是从马尾神经束之间的间隙然后到脊髓，揭示了它们在马尾界面处的形态适应以规避解剖限制。

**论文解读：自适应鞘内纳米机器人在小鼠和非人灵长类动物中的导航中枢神经系统治疗**

**研究背景与问题**
中枢神经系统（CNS）疾病（如脊髓损伤）的治疗面临两大核心障碍：血脑屏障（BBB）和血脊髓屏障（BSCB）的不可渗透性，以及椎管复杂的解剖结构限制。传统血管内给药受限于生物屏障，药物难以到达病灶；鞘内给药虽可绕过屏障，但缺乏时空控制，药物在脑脊液（CSF）中扩散缓慢，且难以精准靶向。此外，小鼠模型（椎管直径约1 mm，马尾神经束仅约人类的5%）与人类尺度（椎管厘米级，马尾间隙仅0.05–0.4 mm）之间存在巨大的解剖差异，导致临床转化困难。现有载药纳米复合物（如溶解素D2^（RvD2）、中性粒细胞膜衍生囊泡^（NMVs）、干细胞外泌体^（EXOs））虽具治疗潜力，但缺乏主动导航能力，治疗效果受限。因此，开发一种可在人类尺度椎管内自适应导航、实现治疗剂量递送并可控释放的纳米机器人平台，是CNS治疗的关键需求。

**研究内容与结论**
研究人员开发了一种仿生可重构纳米机器人复合体^（BRaNC），将磁性纳米粒子^{（Fe₃O₄ NPs）}、RvD2（模型药物）、NMVs和EXOs融合，构建成可编程的磁性纳米机器人。通过调控旋转磁场的频率和极化，BRaNCs可在鞘内形成三种群模式：链状、涡旋状和带状，其中涡旋群被确定为最优策略，因其兼具高密度聚集（避免CSF稀释）和灵活导航能力。在机械臂辅助磁场系统^（RARMF）驱动下，涡旋群可在小鼠和非人灵长类动物椎管内实现厘米级距离的迁移，磁性增强靶部位积累并延长滞留时间，显著提升治疗效果，同时减少副作用。该研究发表于《SCIENCE ADVANCES》。

**主要关键技术方法**
1. **BRaNCs合成**：采用乳化/溶剂蒸发法合成Fe₃O₄和RvD2负载的纳米粒子核心（NP core），通过超声融合NMVs和EXOs得到混合纳米囊泡，再经共挤出法将NP core包裹于囊泡内，形成核壳结构BRaNCs。
2. **多模式群控制与导航**：使用三轴亥姆霍兹线圈和机械臂永磁体组成的RARMF系统，产生可编程旋转磁场，驱动BRaNCs形成链状、涡旋状、带状群，并实现可逆转换；结合数字减影血管造影^（DSA）成像实时监测。
3. **体内导航与治疗评估**：在小鼠脊髓损伤（SCI）模型（胸椎T10水平）和非人灵长类动物（食蟹猴）中，通过腰椎穿刺（L3–L4或L6–L7）进行鞘内注射，对比不同给药方式（静脉、鞘内被动、鞘内磁导航）的分布和治疗效果。样本队列来源：Balb/c雌性小鼠和非人灵长类。

**研究结果**
- **Development and magnetic swarm navigation of BRaNCs**：BRaNCs呈球形核壳结构（直径约199 nm），表面电荷?11.6 mV（pH 7.2）。在模拟炎症CSF（pH 6.5）中，RvD2释放率高达73.8%（48小时），而在正常CSF中仅6.4%，表明NMVs/EXOs包覆提供了稳定性。Western blot证实CXCR4和CD81蛋白存在，证明膜包被成功。巨噬细胞吞噬实验显示，BRaNCs的Fe摄取量仅为NP core的1/4，生物相容性显著提升。磁化曲线显示超顺磁行为，饱和磁化强度（Ms）可达39.4 emu/g（替换高Ms NPs后）。通过调节磁场频率和模式，实现了链状、涡旋状、带状三种群的可控形成。
- **Multimode swarm transformation and adaptive intrathecal swarm behavior**：量化分析表明，涡旋群在24 Hz时达到最优速度（44.7 μm/s）和最短形成时间（6.0 s），且尺寸约为130 μm。涡旋群可融合成直径约0.2 mm的巨型群，实现治疗剂量（10 μg BRaNCs，含10 ng RvD2）的聚集。在模型椎管（含马尾束）中，涡旋群在RARMF引导下迁移速度达0.4 mm/s，40分钟内可移动约5 cm，而链状和带状群主要局限于4 cm以内。在离体小鼠椎管中，涡旋群组在T10–T11靶区（CNS损伤部位）的荧光信号占比58.1%，远高于被动组（16.0%）。药物释放实验表明，磁驱动可加速炎症CSF中的释放（92.7%，3小时）。
- **Dynamics of BRaNCs upon intrathecal navigation in vivo**：在SCI小鼠模型中，涡旋群组30分钟内靶区荧光重叠信号达8.9%，为被动组的8倍。24小时后，涡旋群组椎管内RvD2浓度仍达1.25 ng/g组织，而静脉组仅0.11 ng/g。主要器官分布显示，涡旋群组在肝脏和肾脏有较高滞留，但未引起明显毒性。
- **Adaptive swarm behavior of BRaNCs within spinal canal in nonhuman primate in vivo**：在非人灵长类中，DSA成像显示，涡旋群在RARMF驱动下20分钟内从L6–L7迁移至L4–L3（约8 cm）。图像分析表明，BRaNCs首先沿椎管右侧上行，随后在L4–L3水平向两侧扩展，自适应于马尾束间隙（0.05–0.4 mm），成功绕过解剖障碍。
- **Therapeutic evaluation using adaptive nanorobotic delivery with BRaNCs in vivo**：在SCI小鼠中，涡旋群组H&E染色显示炎症细胞浸润和空泡化最轻，病灶面积最小。免疫荧光显示，IBA-1阳性小胶质细胞显著减少，TUJ1阳性神经元增加。中性粒细胞计数接近正常水平，促炎因子（TNF-α、IL-1β、IL-6）下调，抗炎因子（IL-10）上调。Basso小鼠量表（BMS）评分达9.5分（满分10），体重恢复至22.1 g，15天存活率100%。
- **Therapy and safety comparison using adaptive nanorobotics with BRaNCs**：与不同剂量静脉注射对比，涡旋群组治疗效果与9倍静脉剂量相当，但避免了9倍静脉剂量导致的肝毒性（ALT升高）、肾毒性（尿素升高）和免疫反应（CK、白细胞、淋巴细胞升高）。涡旋群组主要器官H&E染色未见异常。

**讨论与结论**
本研究开发的BRaNC平台成功解决了小鼠到人类尺度的转化差距，证明了涡旋群为鞘内导航的最佳模式，能够在非人灵长类椎管中自适应迁移，显著提升治疗效果并降低副作用。研究结论指出：自适应磁性纳米机器人平台通过可编程群运动实现了CNS靶向治疗，其疗效与9–12倍静脉剂量的被动递送相当，但毒性极低。该平台为CNS疾病（如脊髓损伤、神经退行性疾病等）的精准治疗提供了变革性工具，未来可扩展至阿尔茨海默病、脑膜炎、脑梗死等疾病。