中国科学家团队成功用光将中性粒细胞变成治疗疾病的“微型机器人”

中性粒细胞 是最丰富的粒细胞类型，占人类所有白细胞的40%至70%。作为宿主抵抗入侵病原体的第一道防线，中性粒细胞具备固有的吞噬能力，可以吸收纳米颗粒和吞噬死亡的红细胞，并在激活后清除外来病原体和加载靶点；而且，还能跨血管迁移到临近组织。因此，它们成为执行体内医学任务的天然候选者。

然而，现有大多数基于中性粒细胞的治疗策略依赖于细胞自发的趋化运动，从而缺乏有效激活、快速迁移和高精度导航。

近日，发表在美国化学学会旗下期刊 《ACS Central Science》 上的一项新研究中，来自暨南大学纳米光子学研究院李宝军教授和郑先创教授领导的研究团队通过将中性粒细胞的先天免疫功能与智能光学操纵有机结合，实现了在活体上用光将中性粒细胞变成治疗疾病的“微型机器人”。

目前大多数微型机器人都是由合成材料制成的，这些材料已被证明会触发小型动物的免疫反应，所以它们在到达病灶之前就不得不被移出体外。

在这项新研究中，该团队使用内源性细胞，即中性粒细胞，代替以注射或口服胶囊的方式将微型机器人植入动物或人体内的策略，不需要人工微结构和侵入性植入过程，因此避免了复杂的制备技术和组织损伤。

已有研究表明，中性粒细胞可以在实验室培养皿中被激光引导和移动，但该团队希望在活体动物体内实现这一技术。

这项研究涉及光学工程和生物医学两大领域。首先，研究人员建立了光操纵系统，可以精准调控光的聚焦方式、操纵能力和扫描方式，并能同时进行光谱测量。

然后，他们选择斑马鱼为实验对象，因为斑马鱼的基因与人类高度同源。然而，有一个棘手问题也随之而来：如何将药物静脉注射到斑马鱼的血管中。

研究共同通讯作者郑先创说：“斑马鱼的体形很小，成鱼体长只有3至4厘米，幼鱼体长仅有几毫米，它们的血管更是细小到只有十几个微米左右。而我们的研究需要将模型纳米药物通过静脉注射方式，注射到这些细小的血管中。当时我们遇到了很大的技术挑战。”

经反复尝试，他们最终搭建出一套显微注射装置解决了这一技术难题。他们把斑马鱼放到显微镜下，通过微控制器按钮来操纵微型注射器的上下左右移动，实现了对斑马鱼微小血管的精准注射。

中性粒细胞通过光远程激活，然后沿着指定路线导航到目标位置，并在体内完成其任务，如主动细胞间连接、靶向递送纳米药物、精准清除细胞碎片。这一切都不需要对原生中性粒细胞进行额外的构建或修饰。

研究人员还发现，这种方法可以使中性粒细胞每秒移动1.3微米，比其自然移动速度快了三倍左右。

由于成功在活体动物内操纵中性粒细胞，这项研究提高了靶向药物递送和精准治疗疾病的可能性。

该团队表示，这是一项具有前驱性的研究工作，但离最终的临床应用还有很长的路要走。作为基础研究，目前研究只在斑马鱼身上进行，后续还将继续优化，逐步在小鼠和大动物模型上进行实验。至于何时能在人体上进行实验，还有很长的路要走。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.2c00468