第一作者：Weijie Zhong
通讯作者：王奔
通讯单位：深圳大学
研究速览
微型/纳米机器人在微创细菌感染治疗方面显示出巨大的前景。然而，细菌感染通常会通过聚集和粘附在体内形成生物膜，从而阻止抗生素渗透并增加复发的可能性。此外，很大一部分感染发生在那些难以进入的地区，这使得将抗生素输送到受感染部位或组织变得困难，并加剧了解决细菌感染的挑战。微/纳米机器人具有卓越的机动性和可控性，能够将药物输送到特定部位（靶向输送），并增强药物渗透性。特别是，仿生微型机器人表面设计策略的出现为治疗感染提供了有效的替代方案，从而防止了细菌耐药性可能的发展。在本文中，作者回顾了具有卓越抗菌特性的微/纳米机器人的设计、机制和驱动方式的最新进展，重点介绍了从实验室工作台到体内应用的各种器官细菌感染和衍生并发症的积极治疗策略。总结了该领域当前面临的挑战和未来的研究方向。微/纳米机器人的这些突破为细菌感染治疗的临床转化提供了巨大的潜力。
要点分析
要点一：微/纳米机器人的抗菌活性。微/纳米机器人由于它们的体积很小，因此更容易穿透细胞壁进入细菌内部，从而表现出更有效的抗菌活性。纳米机器人的表面可能具有特殊的化学性质，如亲水性或疏水性，使它们能够与细菌相互作用并破坏其细胞结构。
要点二：杀死单个细菌。利用微/纳米机器人，精确杀死单个细菌已经成为可能。本文报道了具有抗菌性能的磁性纳米线圈，可以准确识别目标细菌并与之相互作用，从而实现选择性灭菌。
要点三：体内细菌感染和炎症。微/纳米机器人能够精确控制和定向导航，这些特性使微/纳米机器人能够成功地穿透体内的生物屏障，并主动将药物输送到患病部位或组织，以进一步获得治疗。这可以减少副作用，即由于减少了必要的药物负荷和减少了全身影响。
图文导读
图1：示意图说明了使用磁性微/纳米机器人治疗细菌感染的典型程序，重点是跟踪和导航。外部磁场控制通过操纵其磁性材料来引导机器人，并且磁性标记的结合可以实现精确的位置跟踪和临床应用的导航调整。
图2：用于抗菌应用的微/纳米机器人示意图。提出了四个方面：机制，设计，驱动和应用。外圈列出了侵入性治疗。此外，还列出了不同的抗菌机制、结构、材料和驱动方法。
图3：协同抗菌机制。(a)微/纳米机器人具有与NPs相似的抗菌潜力。(b) NPs的抑菌机制。 图4：抗菌材料在微生物感染过程中起着决定性的作用。(a)金属离子抗菌机理示意图。(b) Ag-NPs光催化作用示意图，以及Ag+在细胞膜上的释放和渗透。(c)温度梯度下H2O2产热催化机理示意图。(d)光热和NO协同抗菌去除大肠杆菌和金黄色葡萄球菌生物膜机理示意图。
图5：用于机械灭菌的微/纳米机器人。(a)蝉的光学图像及其翼面纳米柱阵列，前翼上表面的扫描电子显微照片。(b)蝉翅面杀菌活性。通过扫描电镜观察了机翼表面引起的形态学变化。(c)表面自适应机器人能够在微观尺度上拉伸或收缩，以适应不同的表面形貌和施加高剪切应力。 图6：微/纳米机器人的不同驱动机制。(a)酶驱动示意图：通过脲酶修饰的生物素链亲和-生物素结合复合物，不对称酶分布产生更强的净推进力。(b)光和磁场驱动示意图：利用增强光热性能制备对抗癌细胞和细菌的微型机器人，使其温度快速大幅升高，运动性能稳定。磁驱动的T-Budbots被驱动穿过生物膜表面，通过Kill-n-Clean方法去除生物膜。(d) iButtonbots在水中使用条形磁铁进行磁导迁移。(e)通过变形增加的表面积促进表面氧化并保持特定形状，依次转变为复杂迷宫中的锯齿状球体、条状、棘状和轨迹。
图7：微/纳米机器人精确地瞄准并杀死单个细菌。(a)纳米线圈结构的制备概况及其在细菌杀灭中的应用。(b)扫描电镜图像显示了大肠杆菌与纳米线圈相互作用时引起的膜损伤。
图8：磁驱动微/纳米机器人去除生物膜。(a)磁场驱动p-Fe3O4团簇破坏生物膜示意图。(b)骨修复用钛网去除金黄色葡萄球菌生物膜示意图。(c)内窥镜鼓室t管生物膜去除处理过程示意图。(i)活性氧和机械损伤协同作用使Fe2O3 HMM去除生物膜的示意图。（ii）外耳道及鼓室t形管示意图。（iii）内镜下人鼓室植入t管生物膜根除治疗过程。
图9：酶和光驱动微/纳米机器人去除生物膜。(a)用于生物膜去除的酶和光驱动纳米结构；(i)脲酶功能化多相光催化TiO2/CdS微/纳米机器人去除大肠杆菌生物膜的示意图；（ii）处理后的高分辨率SEM显微照片（白色箭头表示凹痕形成）。(b)去除水中的细菌生物膜。(i) ZnO：Ag微电机在光照射下以自电泳机制主动运动，利用Ag和ZnO的抑菌活性以及微电机的增强扩散，快速有效地去除革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌生物膜；（ii）左图：铜绿假单胞菌对应的细菌生物膜活力；右图：MRSA对应的细菌生物膜活力。
图10：微/纳米机器人治疗体内细菌感染和炎症。(a)小鼠皮肤伤口愈合情况；(i)基于PDA-MSP治疗耐多药肺炎克雷伯菌感染的示意图。（ii）酶驱动抗菌微/纳米机器人用于治疗皮肤细菌感染。(b)自行定向治疗；(i)用于胃液推进和药物靶向递送的壳聚糖包覆Mg微/纳米机器人。（ii）用于主动靶向递送和治疗胃肠道炎症的微/纳米机器人。(c)大肠杆菌粘附胆道支架的处理示意图。(d)使用藻类NP机器人治疗细菌性肺部感染的示意图。利用点击化学方法，用载药NP功能化莱茵草的示意图。靶向药物在体内治疗铜绿假单胞菌肺部感染。
结论
目前对微型和纳米机器人的研究显示出各种潜在的应用。其中最值得注意的应用是细菌感染及其并发症的体内治疗。很大一部分感染发生在那些难以进入的地区，这使得抗生素难以输送到感染部位或组织，这加剧了治疗细菌感染的挑战。在这一展望中，作者从四个方面讨论了微/纳米机器人在抗菌应用中的最新进展：它们的基本抗菌机制，它们的结构（形态和形貌）的影响，它们的驱动（主要包括自驱动，磁驱动和光驱动）以及它们的应用。最后，作者总结了当前微/纳米机器人抗菌能力的优点和局限性。理论和实验研究表明，微型机器人可以在复杂的生物流体中快速移动，克服各种腔内的生物屏障，并通过机械刮擦或输送治疗药物有效去除生物膜，用于医学治疗。本综述旨在为开发高效和生物相容性的微型机器人以及具有先进有效载荷释放和治疗能力的位点特异性微型机器人递送系统提供线索，用于细菌感染和衍生并发症的靶向治疗。
全文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.4c11430
参考文献:
Weijie Zhong，Stephan Handschuh-Wang，U.T.Uthappa，Jie Shen，Ming Qiu，Shiwei Du，Ben Wang.ACS Nano November 11, 2024. DOI:10.1021/acsnano.4c11430
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