活性颗粒，通常被称为微马达或微游动体，在均匀环境条件（如磁场、电场或化学场）下能够自推进。当与闭环控制导航相结合时，它们可被视为微机器人（microrobots，MRs），作为精确可控的工具，在靶向药物递送、显微手术和生物医学诊断等众多潜在医疗应用中越来越受到认可。尽管关于使用微纳机器人进行靶向药物递送的研究非常广泛，但实现深部组织渗透和有效药物递送仍然是重大挑战。

先前关于MRs组织渗透的研究主要依赖于外部磁场或声学推进驱动的合成MRs。磁力驱动的MRs具有无燃料驱动、远程路径控制和可编程性等优势。声学驱动的MRs比磁力驱动的MRs表现出更深的组织渗透和纳米颗粒负载递送能力，但穿透组织凝胶基质的深度仅限于约20μm。

“Biohybrid Microrobots Based on Jellyfish Stinging Capsulesand Janus Particles for In Vitro Deep-Tissue Drug Penetration”这篇文章提出了一种新颖的药物递送方法，利用水母刺丝囊作为天然纳米注射器，实现高效的深部组织渗透。刺丝囊是水母的螫刺囊，是固有的爆发性天然注射系统，作为药物递送系统具有巨大潜力。以水母的刺丝囊作为装载药物的“天然胶囊”，再给它安装上一个由Janus颗粒制成的“微型引擎”。两者通过介电泳技术（DEP）精准地组合在一起，就构成了一个生物混合MRs。该MRs利用磁电复合场驱动进行运输。文章中探讨了将MRs导航到微流控腔内的目标区域并在体外将水母刺丝囊的分子内容物深度注射到目标癌球体和秀丽隐杆线虫模型中的潜力。

生物混合微机器人的组装、运输及激活

研究采用了一种创新策略来开发生物混合MRs，用于预载药物水母刺丝囊的精确运输和激活（图1a）。微马达由JPs构成，通过磁力滚动场和外加交流（AC）电场实现可控的自推进和导航。微马达和水母刺丝囊在外加交流电场下通过DEP捕获力进行组装。一旦生物混合MRs形成，主要利用磁力滚动将其运输到目标区域。水母刺丝囊的激活涉及一种酶（1%枯草杆菌蛋白酶），该酶破坏囊体盖的稳定性，形成渗透压差引发微管快速弹射。其他酶和化合物如乙二醇四乙酸（EGTA）、亚甲蓝和各种盐也可作为替代品。图1b是在微腔内磷酸盐缓冲盐水溶液中，一个27μm的JP与十个水母刺丝囊结合形成的生物混合MR（I）。接着，MR在磁场驱动下滚动前进，同时通过交流电场（5 MHz, 15 Vpp）控制方向，最终抵达目标区域（Ⅱ）。当它与目标区域的酶发生相互作用时，便立即弹出内部的管状结构（Ⅲ）。

图1 生物混合微机器人的组装、运输及激活示意图

在激活阶段，扩散的酶触发了生物混合MR中大多数刺丝囊内微管的由内向外翻转。这个过程导致微管快速伸长，平均长度达到298±20μm。微管弹射的速度在0.01至10 m s-1之间。微管释放取决于酶暴露于刺丝囊的程度。在开放腔室中，激活超过70%的刺丝囊（与激活前统计的总数相比）平均耗时约5分钟。相比之下，在微流控腔室中则存在明显延迟，其主要原因是酶需要从入口扩散至MRs所在处（距左侧入口1mm）所需的时间。鉴于单个微管的弹射方向存在随机性且难以控制，作者建议采用搭载大量水母刺丝囊的MRs群体，以实现药物的高效递送。实验中观察到预装载在刺丝囊内的药物（甲苯胺蓝和吖啶橙）的成功弹射（图2b, c）。

图2 酶触发的水母刺丝囊运输微管延长，导致其预装的分子内容物被排出

a. 不同结构的JPs（包括单层、双层和三层结构）被运输至富含酶的环境中并被激活

b. 延时显微图像展示了预载甲苯胺蓝O染料从生物混合微机器人中喷射的过程（蓝色箭头：指示分子通过管状结构从胶囊体中释放；红色箭头：空胶囊体）

c. 荧光显微镜图像显示了荧光标记的吖啶橙从微管尖部喷出

大多数分子通过微管尖端而非沿微管弹射，弹射后刺丝囊变为空囊。一旦微管在激活后完全伸长（约在酶暴露11分钟后发生），所有分子（吸附的除外）都从刺丝囊中弹射出来。有趣的是，一些刺丝囊在弹射事件后与JP表面分离，这可能是由于与弹射相关的反冲力所致。这些结果证明了所组装的生物混合MRs运输到特定位置并激活约300 μm的快速微管伸长以及随后弹射囊体分子内容物的能力。这种创新方法有望将药物深度递送到器官和组织中。

生物混合微机器人在体外深部穿透癌球体

为了评估生物混合MRs用于深部组织渗透的潜力，作者在含有细胞培养基的微流控腔室内，使用源自293T癌细胞系的癌球体进行了体外实验（图3）。MR群体从右侧腔室孔（图3b）被运输到放置在左侧腔室孔附近的直径约81 μm的癌球体上。在酶的激活下，弹射出的微管深入渗透并将预载的分子内容物注入目标癌球体。在装载甲苯胺蓝的实验中，图像亮度较低的区域对应着被弹出的甲苯胺蓝，说明甲苯胺蓝通过弹射微管尖端成功注入距离癌球体边缘约300 μm的深度（图3c）。在装载吖啶橙的情况下，沿着弹射出的微管，在癌球体内可观察到清晰的荧光轨迹（图3d）。为了最小化酶的毒性，其浓度最高为0.2% w/v。激活后，微管完全伸展，从囊体内完全展开。然而，由于微管弹射方向的随机性，附近激活但未穿透癌球体的刺丝囊扩散出的天然水母毒素（例如磷脂酶A2毒素），导致癌球体外表面的细胞表现出明显的肿胀和形态变化。根据多次试验，穿透癌球体的微管数量占弹射总数的百分比约为23%。因此，为了增加有效穿透癌球体的机会，需要增加运输到目标癌球体的生物混合MRs数量。

图3 甲苯胺蓝和吖啶橙深部穿透癌球体

探究生物混合微机器人穿透活体线虫

秀丽线虫由于其简单且特征明确的神经系统，是研究神经毒素效应的优秀动物模型。文章也利用了线虫活体探索生物混合MRs的穿透能力（图4）。与传统的显微注射方法不同，本实验装置使用了自由游动的、年龄同步化的线虫。线虫被引入充满线虫生长培养基的微流控腔室左侧。生物混合MRs通过右侧孔注入，在电场（15 Vpp, 2 MHz）下通过磁力滚动向游动的线虫推进。一旦它们到达目标，引入酶（0.3% w/v枯草杆菌蛋白酶）以激活刺丝囊。组装的MRs由带有约10个装载蓝色染料的刺丝囊的JP团簇构成，被运输至远离入口的地方，追逐并试图穿透游动的线虫。然而，它们既没有穿透线虫，也没有引起显著反应。为了提高穿透率，通过添加20 μM左旋咪唑使线虫麻痹以降低其活动性。

图4b标注为“1”的线虫，在刺丝囊激活前其运动几乎停止。当小号刺丝囊微管激活和穿透线虫后，它在2分钟内从U形转变为蛇形卷曲。这种行为类似于逃避反应，可能用于保护其身体免受潜在威胁刺激（如毒素和热刺激）。有趣的是，当大号刺丝囊的微管穿透线虫时，麻痹的线虫表现出突然剧烈的运动，持续约4.5分钟（图4c）。同样地，在线虫未被麻痹的情况下，当小号刺丝囊微管穿透线虫时，观察到线虫运动停止的现象。值得注意的是，线虫的突然反应并非由其他潜在刺激触发（比如酶产生的细胞毒性、施加的外部电场或磁力滚动）。据推测，微管穿透所引发的线虫剧烈肌肉抽搐（即Ω转弯），其原因很可能是线虫暴露于天然水母毒素中，而非仅微管本身（由直径约1μm）机械穿透所致。为深入理解穿透后的生物反应（包括潜在的神经毒性效应），仍需开展进一步研究。

图4 刺丝囊射击线虫及其后续的运动反应

结论

研究介绍了一种基于刺丝囊的新型生物混合MR系统，能够在体外实验中实现药物向目标组织的深部递送。MRs通过DEP辅助捕获组装，通过基于磁力滚动的推进运输，并辅以基于电场的定向以导航至目标区域。到达目标目的地后，用特定酶触发刺丝囊激活。证明了弹射微管对癌球体和活体生物（如秀丽隐杆线虫）的深度穿透能力，并强调了该技术在靶向药物递送应用中的潜力。在秀丽隐杆线虫案例中，观察到了有趣的注射后反应，包括对线虫肌肉可能的神经毒性效应，值得进一步研究。虽然使用的球体模型缺乏细胞外基质，但这些刺丝囊可以穿透刚性材料，如PDMS、指甲或毛发，以及猪皮的厚角质层，因此生物混合MRs中的刺丝囊在真实的生物组织中也预期非常有效。

这个独特系统的未来发展将包括用具有治疗价值的各种药物替换刺丝囊的有毒内容物，以及使用不同类型的刺丝囊以增强多功能性和改善生物相容性。未来的发展还可能包括实现仿生工程合成的MRs，预载药物并设计各种触发和弹射机制以进行释放。该研究在体外微流控平台中展示的生物混合MRs的受控精确导航，为其在更复杂的生物环境中以及体内应用的进一步探索奠定了基础。虽然在体外测试中降低枯草杆菌蛋白酶浓度（0.2%）在几小时内导致最小的细胞毒性，未来的研究可以探索使用各种合成和生物聚合物（如蛋白质衣壳、水凝胶和脂质颗粒）在刺丝囊外部封装酶，并开发有效的体内运输和释放策略，或开发替代的外部触发机制（例如声学）来诱导刺丝囊弹射，这些机制对潜在的体内应用是安全的，从而消除对酶的需求。这种能够在复杂生物环境中移动并实现药物深度可控递送到目标组织的精密MRs，在推进各种生物医学应用的精准药物递送方面具有巨大潜力。虽然作者的方法仍处于早期阶段，尚不适合体内应用，但它显示出在评估体外模型（如包含类器官、细胞器或离体组织的器官芯片系统）中深部组织药物递送效应的前景。这项研究提供了药物渗透超越组织表面的见解，并可能启发未来专注于体内深部组织药物递送应用的研究。