武汉理工大学官建国团队提出“Systemic-to-local”磁驱纳米机器人溶栓技术

近日，武汉理工大学材料复合新技术全国重点实验室官建国教授、牟方志研究员团队联合中国人民解放军中部战区总医院李智副主任医师，在磁驱纳米机器人溶栓治疗领域取得新突破。相关研究成果以“Systemic-to-Local Nanorobot Thrombolysis”为题，正式发表于学术期刊Science Advances。武汉理工大学博士生张迪、中部战区总医院朱欧陵为共同第一作者，武汉理工大学为第一完成单位。

图1. 基于p-Fe₃O₄@PVP-tPA纳米机器人的“静脉注射、磁控富集、原位组装、协同溶栓、安全降解”全流程简易高效靶向治疗策略示意图。

针对传统磁驱动微纳机器人面临的“静脉注射易被免疫清除、基元难降解且需侵入性回收”等临床转化瓶颈，研究团队提出了一种全新的“系统注射递送-局部磁收集-原位演化纳米机器人溶栓-安全降解”无创闭环治疗范式（图1）。纳米机器人基元采用一体化结构设计——具有由超小初级纳米晶（<5 nm）松散堆积而成的多孔核心，以及高密度的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）隐身涂层——从而将强磁响应性、长循环寿命和快速代谢清除特性完美结合。这些胶体纳米晶簇在便捷地负载组织型纤溶酶原激活剂（tPA）后，能够依次通过全身给药（步骤 i）、局部磁收集（步骤 ii）和原位纳米机器人驱动（步骤 iii）这一系列流程，自组装成磁控纳米机器人（NRs），从而具备在不同血管部位靶向并溶解血栓的能力。溶栓任务完成后，纳米机器人解聚为分散的胶体纳米晶簇（步骤 iv），这些晶簇随后被肝脏库普弗细胞吞噬（步骤 v），在溶酶体中发生快速降解（步骤 vi），并最终通过肝-胆-肠轴途径排出体外（步骤 vii）。

研究团队利用PVP修饰的p-Fe₃O₄@PVP CNCs（粒径约 120 nm）作为机器人的构筑基元（图2-A-B）。Fe₃O₄@PVP CNCs具有由超小初级纳米晶（<5 nm）松散堆积而成的多孔结构、高密度的PVP包覆以及优越的磁性能（图2-C-E）。在体外测试中，通过应用进动磁场（H_p(t)，这些独立的晶簇基元能在原位自组装成具备爬行能力的纳米机器人集群（图2-F、G）。该集群表现出卓越的运动性能，即便在全血环境中依然能保持53.8 μm/s的群体前进速度。此外，溶栓药物tPA可以通过氢键、盐桥等相互作用紧密负载在PVP聚合刷上实现便捷的药物负载（图2-H-K）。在体外血栓模型中，纳米机器人集群主动靶向血栓部位并通过“机械破坏”与“表面tPA酶促纤溶”的协同效应高效溶栓（图2-L、M）。该机器人组的体外血栓溶解率高达90.4%，显著优于药物组和非致动组（图2-N）。

图2. p-Fe₃O₄@PVP纳米机器人的结构表征、运动表征、药物负载与体外溶栓

针对体内复杂生理屏障，表面的PVP隐身涂层通过高效的空间位阻阻断了血浆蛋白和调理素的非特异性快速结合（图3-A），保障了其稳定的体液胶体分散性（图3-B），且在细胞和血红细胞静态孵育中显现出极低的细胞毒性（图3-C、D）。药代动力学评估表明，tPA负载Fe3O4@PVP CNCs的体内长循环半衰期（t1/2）被显著拉长至45分钟（比游离tPA提升约9倍）（图3-E、F），从而极大地拓宽了磁收集时间窗，使其富集于血栓靶血管前端分叉附近（图3-G、H）。

图3. 纳米机器人的系统注射与局部磁收集

在完成靶向部位的磁收集后，体外切换至可重构的进动磁场，集结的基元原位演化为爬行磁控机器人集群，集群对大鼠体内的血栓发起靶向溶栓。激光斑点血流成像系统（LSBFMS）的连续血流灌注定量监测表明：在深静脉血栓模型中，纳米机器人组在4小时内成功促使 92.5 %的受阻血流完全复流（图4-A-E）；而动脉血栓模型中，2小时将血流灌注恢复至正常基准线的93.1 %（图4-G-K）。活体H&E组织切片以及终点血栓残余面积计算也从病理学角度证实，机器人组血管内的血栓残留率分别大幅压低至 4.5 %（静脉）和 0.6 %（动脉）。

图4. p-Fe₃O₄@PVP-tPA纳米机器人集群的体内溶栓

当溶栓程序结束后，撤除体外驱动磁场，原位组装的纳米机器人链立即解聚成分散的CNC基元，并随血流逐渐被肝脏网状内皮系统（RES）中的库普弗细胞自然吞噬清除（图5-A-D）。人工溶酶体模拟液（LSS, pH=4.5）体外降解实验显示，得益于小于 5 nm 的超小初级晶粒和多孔特征，加速了其降解速度，相较于市售氧化铁微球提升近3倍（图5-E-H）。活体元素定量分析显示，大鼠体内的肝铁积累量在第1天达峰后迅速通过降解路径进入良性代谢循环，并在 7天内恢复至基线健康水平（图5-I、J）。排泄物分析明确，其主要经由肝-胆-肠轴随粪便安全排出体外（图5-K）。

图5. 溶栓后纳米机器人的快速降解及代谢清除

为全面考量临床转化前景，研究团队对存活大鼠开展了极其严苛的剂量递变与安全性跟踪。在整个长达90天的观察期内，接受纳米机器人溶栓治疗的大鼠表现出良好的生命体征和100 %的超高生存率；而对照组（盐水组）和常规药物/未致动组因无法及时再通血管，均在42天内悉数死亡（图6-A、B）。毒理学评估中，团队将CNCs注射剂量由治疗剂量纵向拉高12.5倍至极端超饱和状态（25 mg/kg）。组织 H&E 染色形态学检查表明，心、肝、脾、肺、肾等所有中枢脏器的微观组织架构均维持健康红润的完整性，未引发任何局灶性细胞坏死、炎性浸润或器质性相变（图6-C）。血细胞分析与全面的血生化指标（ALT、AST、BUN、CREA及心肌酶谱谱系等）在治疗剂量至5倍过载剂量范围内均处于健康的生理区间（图6-D）。

图6. 纳米机器人的体内安全性研究

（来源：知社学术圈微信公众号）