深圳先进院AIE纳米仿生机器人研究取得重要进展

来源：中科院深圳先进院

近日，中国科学院深圳先进技术研究院医药所纳米医疗技术研究中心蔡林涛研究员、张鹏飞副研究员、龚萍研究员、邓冠军博士等与香港科技大学唐本忠院士及湘潭大学陈华杰教授合作，经过长时间努力，成功研发出一种基于聚集发光元件的AIE纳米仿生机器人系统用于血脑屏障穿越及脑胶质瘤靶向诊疗。

相关论文Natural-Killer-Cell-Inspired Nanorobots with Aggregation-Induced Emission Characteristics for Near-Infrared-II Fluorescence-Guided Gliomas Theranostics（受到自然杀伤细胞启发的具有聚集发光特性的纳米机器人用于近红外二区荧光引导的脑胶质瘤诊疗研究）在线发表于纳米医学顶级期刊ACS NANO（IF=14.588）上（DOI: 10.1021/acsnano.0c03824，可点击文末阅读原文查阅），并已申请1项中国发明专利(申请号：CN201911128402.9)。

人们日常生活过程中所使用的机器，或者是一般意义上的机器，大部分是由两个或者两个以上的构件组成的。当构件与构件之间在获得合适的能量之后就会发生相对运动，例如发动机、洗衣机、发电机等，这些都是人们所熟知的传统意义上的机器。1959年，理查德·费恩曼在一次题为《在物质底层有大量的空间》的演讲中提出：将来人类有可能建造一种分子大小的微型机器，可以把分子甚至单个的原子作为建筑构件在非常细小的空间构建物质，这意味着人类可以在最底层空间制造任何东西。

从分子和原子着手改变和组织分子是化学家和生物学家意欲到达的目标，这将使生产程序变得非常简单，只需将获取到的大量的分子进行重新组合就可形成有用的物体。理查德·费恩曼率先提出利用微型机器人治病的想法。用他的话说，就是“吞下外科医生”。纳米机器人(nanorobot)是机器人工程学的一种新兴科技，它是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”，纳米机器人是当今高新科技的前沿热点之一，是被众多国家投入巨资抢占的战略高地。如何从源头实现纳米机器人的创新开发，是目前我国所面对的重要问题。

不同于传统宏观尺度机器人，纳米机器人需要在微观尺度构建分子元件，进而在介观水平进行组装。2016年的诺贝尔化学奖颁给了“分子机器的设计与合成”这一研究领域的科学家。分子机器不仅可以实现机器原有的功能，还因为其尺寸极小，在微观世界里发挥着无可比拟的作用，同时为纳米机器人的构建提供了重要元件。纳米机器人的材料设计与开发的基础研究，归根结底需要在分子层次以上的介观层次或者更大的聚集态层次对于分子聚集体进行系统的研究。

聚集诱导发光（aggregation-induced emission, AIE）为聚集态科学的研究提供了一块极好的研究平台。除了研究单分子状态下分子的相关性质，AIE更加关注微观层次以上的分子聚集体所赋予材料的新的性质和特点。历经近20年的发展，AIE研究在新材料的创制、机理的探索以及应用的拓展等方面都取得了巨大的成就，为分子科学向聚集态科学的迈进开启了一扇重要的大门。在越来越强调科学原创的今天，聚集诱导发光概念的提出已经成为中国原创科学中一块闪亮的招牌。

自然杀伤细胞(natural killer cell，NK细胞)是机体重要的免疫细胞，不仅与抗肿瘤、抗病毒感染和免疫调节有关，而且在某些情况下参与超敏反应和自身免疫性疾病的发生，它不依赖抗体和补体，即能直接杀伤靶细胞，如肿瘤细胞或受病毒感染的细胞等；此外，尚有免疫调节功能，也参与移植排斥反应和某些自身免疫病的发生发展。自然杀伤细胞的功能和其细胞膜表面的多种抗原蛋白具有密切联系。

AIE纳米仿生机器人示意图及脑胶质瘤靶向诊疗示意图

基于前期NK细胞膜仿生纳米载体系统的工作基础（ACS Nano 2018, 12, 12, 12096-12108），通过借鉴科幻电影《终结者》中终结者机器人T-800的设计理念，粤港两地研究人员合作开发了以AIE聚合物材料为内骨骼，以自然杀伤细胞膜为外部皮肤的“终结者”纳米机器人系统，这一系统既保留了AIE材料在聚集态的优越的近红外二区发光性能，同时赋予了AIE材料自然杀伤细胞免疫调节与识别的功能。所构建的纳米机器人可以通过调控血脑屏障表皮细胞间的紧密连接（TJs），引发血-脑屏障细胞骨架重排，导致细胞间隙增大而形成细胞间“绿色通道”，帮助自己穿越血脑屏障。在跨越血脑屏障进入脑部区域后，这些纳米机器人可以利用NK细胞膜表面蛋白与肿瘤细胞膜表面受体的特异性识别富集到脑胶质瘤细胞内。

借助于深圳先进院自行搭建的近红外二区共聚焦细胞成像平台、近红外二区流式细胞分析平台和近红外二区小动物活体成像平台，科研人员分别从细胞水平和活体水平对纳米机器人的靶向能力进行了验证，在原位移植了脑胶质瘤的小鼠模型上实现高信噪比脑部肿瘤成像引导的光热治疗，为脑肿瘤及其他脑部疾病的诊疗提供了新的工具。

不过，目前AIE仿生纳米机器人的开发尚处于初级阶段，还有大量工作需要进一步优化，比如在介观水平对纳米机器人的进行可控操作，如何利用纳米机器人的集群效应实现深层次生物屏障突破和系统协调诊疗，如何实现纳米机器人的可控大规模制备以及分子元件的可控装配等。

该项研究得到国家自然科学基金、广东省、深圳市、中科院科技计划等项目的资助。