细胞内驱动的仿生纳米机器人用于化疗-机械乳腺癌治疗

《Biomaterials》:Intracellularly Actuated Biomimetic Nanorobots for Chemo-Mechanical Breast Cancer Therapy

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月10日 来源:Biomaterials 13.6

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   摘要可注射治疗性纳米机器人面临的一大挑战是在生物相容的场条件下实现高效且空间精确的细胞内驱动。本文介绍了一种同源膜伪装的磁性纳米机器人,该机器人将选择性肿瘤细胞内化、低场细胞内旋转以及谷胱甘肽响应的药物释放耦合起来,用于化学-机械乳腺癌治疗。该纳米机器人由二硫键桥接的介孔有机

  

摘要

可注射治疗性纳米机器人面临的一大挑战是在生物相容的场条件下实现高效且空间精确的细胞内驱动。本文介绍了一种同源膜伪装的磁性纳米机器人,该机器人将选择性肿瘤细胞内化、低场细胞内旋转以及谷胱甘肽响应的药物释放耦合起来,用于化学-机械乳腺癌治疗。该纳米机器人由二硫键桥接的介孔有机硅纳米螺旋线组成,负载阿霉素,表面修饰有Fe3O4纳米颗粒,并包裹有MCF-7癌细胞膜。该膜伪装层促进同源识别,并富集磁性驱动器进入MCF-7细胞内部,其中旋转磁场驱动快速细胞内旋转和局部机械扰动。细胞内谷胱甘肽同时裂解含二硫键的有机硅框架,触发纳米机器人降解和阿霉素释放。这种机械损伤与化学疗法在空间上的耦合,在体外诱导了显著的肿瘤细胞死亡,并在MCF-7异种移植模型中将肿瘤生长抑制了87.03%,且无明显全身毒性。这些发现确立了同源细胞内定位作为可编程磁机械纳米治疗的策略。

引言

大多数癌症纳米药物旨在提高抗癌药物的递送效率,但其治疗效果仍主要依赖于所载药物的药理学作用[1], [2], [3], [4], [5], [6]。进入细胞后,这些纳米载体通常通过被动扩散或对细胞内刺激(如pH变化、酶或氧化还原条件)的响应来释放药物[7], [8]。虽然这些方法可以增强药物在肿瘤部位的蓄积,但并未从根本上改变癌细胞被清除的方式[9], [10]。因此,治疗 efficacy 仍可能受到常见耐药机制的限制,包括药物外排、代谢灭活、DNA修复增强和凋亡失调[11]。这一挑战在耐药肿瘤中尤为明显,仅仅增加细胞内药物浓度往往无法取得令人满意的治疗效果。因此,开发能够引入额外非化学模式的纳米治疗系统,可能提供一种克服这些局限性的有前景的策略[12], [13]。
机械损伤代表了一种与传统化疗截然不同的治疗方式[14], [15], [16], [17]。机械力不依赖于药物与细胞靶标之间的生化相互作用,而是可以直接破坏细胞膜、细胞器以及细胞骨架网络,导致细胞功能丧失和活力下降[18], [19]。在各种物理治疗策略中,磁机械疗法因其能够将外部磁场转化为旋转运动、扭矩或局部机械应力而受到广泛关注[15], [20], [21]。这一特性使得治疗激活的远程非侵入性控制成为可能[22], [23], [24]。近期研究进一步扩展了磁性纳米机器人的功能,包括反馈调节的群体超热疗法、在密集生物介质中的稳定导航,以及针对肌动蛋白的肿瘤机械微环境调节[25], [26], [27]。总体而言,这些系统强调了集体导航、环境鲁棒性或靶向机械调节,而实现有效的细胞内磁机械治疗仍然具有挑战性[28], [29]。磁性驱动器不仅需要进入靶细胞,还必须在复杂的细胞内环境中保持足够的活性和响应性[30], [31]。此外,它们需要在能够有效诱导细胞损伤的位置产生机械力[32], [33]。许多已报道的系统依赖于细胞摄取后的颗粒聚集或组装来增强机械效应,但这些过程往往难以调控[34], [35], [36]。因此,在许多情况下,细胞内定位、磁运动和 therapeutic performance 之间的联系仍不清晰[37], [38]。这些挑战凸显了对能够将精确细胞内定位与可控磁驱动集成的纳米机器人平台的需求,而这种能力目前仍难以实现[28]。
在此,我们开发了一种同源膜伪装的磁性纳米机器人(HMMN),用于在空间上协调细胞内磁驱动与氧化还原响应的化学治疗,以治疗乳腺癌(图1)。该纳米机器人具有二硫键桥接的介孔有机硅纳米螺旋线,修饰有Fe3O4纳米颗粒,并包裹有天然MCF-7癌细胞膜壳。该设计允许膜伪装层在场激活之前将磁性纳米机器人定位于同源癌细胞内部。在暴露于温和旋转磁场时,内化的纳米机器人将磁扭矩转化为局部细胞内运动,在与谷胱甘肽触发的框架降解释放阿霉素的同一细胞空间内产生机械扰动。通过这种空间耦合,机械损伤与化学治疗被设计为协同作用,而非独立的治疗过程。我们证明,这一仿生纳米机器人平台能够实现选择性细胞内定位、可控磁驱动以及化学-机械肿瘤抑制,从而将细胞内驱动器定位确立为局部磁性纳米治疗的策略。

章节摘录

HMMN的制备与表征

HMMN通过顺序组装过程制备(图2a)。首先通过模板辅助的溶胶-凝胶缩合反应合成介孔有机硅纳米螺旋线[39]。去除CTAB模板后生成了具有可药物负载通道的介孔有机硅纳米螺旋线。然后将阿霉素(Dox)负载到介孔框架中(Dox-纳米螺旋线),接着进行Fe3O4纳米颗粒的表面修饰(Dox-MN)。最后,MCF-7癌细胞膜被

结论

本研究展示了一种仿生磁性纳米机器人系统,该系统通过将细胞选择性定位与远程磁驱动耦合来实现细胞内化学-机械干预。该纳米机器人不仅作为药物载体,还作为细胞内驱动器运行:同源癌细胞膜伪装引导磁性纳米螺旋线进入同源乳腺癌细胞,在那里外部施加的旋转磁场被转化为局部机械

材料

四乙氧基硅烷(TEOS,99%)、柠檬酸钠(99%)、谷胱甘肽、环己烷、双[3-(三乙氧基硅基)丙基]四硫化物(BTES)、双(三乙氧基硅基)乙烷(BTEE)、二甲基亚砜(DMSO)和阿霉素盐酸盐(Dox)购自阿拉丁(中国)。十六烷基三甲基溴化铵(CTAB,>98.0%)和三元嵌段共聚物Pluronic F127购自Sigma-Aldrich(美国)。乙醇、硫酸亚铁铵、三氯甲烷(CHCl3)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF),

CRediT作者贡献声明

陈天翔:写作——审阅与编辑。马学华:写作——审阅与编辑。柏世豪:写作——原稿撰写,可视化,方法论,调查,形式分析,数据整理。王若男:可视化,方法论,调查。高常永:写作——审阅与编辑,监督,项目管理,资金获取,形式分析,概念化。吴爱国:写作——审阅与编辑,监督,项目管理,资金获取,形式

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

数据可用性

本研究产生的实验数据可在文章和补充材料中获取。其他所有数据可应要求从通讯作者处获取。

利益冲突声明

? 作者声明,他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本研究获得了国家自然科学基金(32471427, 32025021, 32311530040, 52501220)、中国应急管理部重点科技项目(2024EMST141408)、甬江人才引智工程(2021A-097-G)、宁波市重点研发项目(2023Z190)、浙江省自然科学基金(HDMY25H030031, Y24H160037)、宁波市自然科学基金(2024QL026)、
柏世豪|王若男|陈天翔|马学华|高常永|吴爱国
中国科学院宁波材料技术与工程研究所 宁波市生物医用成像探针材料与技术重点实验室、生物医用材料技术与应用浙江省国际合作基地、宁波慈溪生物医学工程学院生物医用材料浙江省工程研究中心、先进诊疗材料与技术实验室,中国,宁波 315201
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