病毒、支原体和病原菌等纳米生物的污染在细胞培养中广泛存在，极大地威胁着许多基于细胞的生物分析和生物制造。然而，细胞培养（尤其是珍贵细胞）过程中如何非侵入性地捕获和去除这类纳米生物，仍是一个巨大挑战。
2023年4月3日，暨南大学辛洪宝及李宝军共同通讯在Advanced Science 在线发表题为“Wake-Riding Effect-Inspired Opto-Hydrodynamic Diatombot for Non-Invasive Trapping and Removal of Nano-Biothreats”的研究论文，该研究受尾流效应的启发，报道了一种基于光学捕获导航旋转硅藻（三角褐指藻）的生物相容性光流体动力学硅藻机器人（OHD），用于非侵入性捕获和去除纳米生物的威胁。结合光流体动力学效应和光学捕获，这一可旋转OHD能够捕获低至100 nm以下的生物靶标。
该研究首次证明腺病毒、病原菌和支原体等不同的纳米生物可有效地被OHD捕获和移除，而不影响细胞的正常培养过程（包括海马神经元等珍贵细胞），可重构的OHD阵列则大大提高了去除效率。结果表明，OHD具有显著的抗菌能力，并进一步促进了靶向基因的传递。该研究制备的OHD作为一个智能微型机器人平台，可在生物微环境中有效地捕获和主动去除纳米生物，尤其是用于许多珍贵细胞的培养，对基于细胞的生物分析和生物制造具有重要意义。
如病毒、支原体和致病菌等纳米生物威胁是细胞培养物和生物微环境中危害巨大的外来污染物。这些生物体可以改变细胞培养的生理学和重组生物分子的结构，且因其繁殖速度极快，生物微环境中即使少量纳米生物也会对从基础细胞培养到生物分析和生物制造的不同生物医学应用造成巨大的威胁甚至灾难。这种污染在在实验室的细胞培养过程中普遍存在，并可能对生物医学研究造成巨大的经济损失。因此，开发在细胞培养过程中直接消除纳米生物威胁的高效工具迫在眉睫。
为满足基于细胞的生物制造和治疗的需求，这些工具应该对生物微环境和培养细胞具有生物相容性和非侵入性。否则会对进一步的生物医学应用（如单细胞分析和生物制造）产生不利影响。然而，设计有效的方法来对抗生物微环境和细胞培养物中纳米生物威胁的污染和快速传播，特别是在许多珍贵细胞（如多能干细胞和原代神经元）的培养过程中，始终是一个棘手的问题。
通过情况下主要利用化学（如75%乙醇）或物理（如紫外线）方法来去除纳米生物威胁，这也是细胞培养中使用最广泛的方法。然而，高剂量的灭菌剂才能有效去除和消灭纳米生物威胁，且灭菌剂缺乏靶向性，会损害其他生物样品，因此不能在细胞培养和生物医学应用过程中使用。虽然抗生素的使用增加了杀灭细菌的靶向性，但同样增加了细菌耐药性的风险。此外，不建议在神经元（尤其是原代神经元）培养过程中使用抗生素，因为抗生素会影响神经元的生存状态。通过细胞培养进行基因转染时，也不建议使用抗生素。因此，设计具有高选择性、高效率和高生物相容性的纳米生物清除和抗菌平台，在细胞培养过程中发挥积极作用，对于许多生物医学应用（尤其是多能干细胞和原代神经元等珍贵细胞的培养）具有重要意义，如抗菌纳米材料的发展为纳米生物威胁的去除和抗菌作用研究增加了一个新的方向。
图1 光流体动力学硅藻机器人作用示意图（摘自Advanced Science ）
然而，许多基于纳米材料的平台是静态的，抗菌作用是被动的。此外，能够将外部能量转化为动能的微型机器人在生物微环境中具有受控推进和主动操作的巨大潜力，这一特性为其在生物微环境中的动态抗菌和去除活性纳米生物带来了新思考。特别是，基于如光、磁和超声波等外部能源推进的方法，已应用于微环境中微型机器人的导航，且无化学成分参与。其中，磁控微型机器人广泛用于纳米生物威胁去除。然而，这些磁性控制的微型机器人都需要特定的磁性材料来响应磁源进行驱动。以具有自推进能力的微生物（如精子、绿藻和轮虫）作为微型机器人平台，也可高效去除纳米生物。然而，这些可移动的生物在培养过程中会影响细胞的生长和新陈代谢。
反过来，细胞培养基也会影响和破坏可移动生物的运动特征，使其无法在细胞培养中进一步发挥微型机器人的作用。因此，设计一个能够直接在生物微环境中去除纳米生物威胁的智能、主动、生物相容性平台意义重大。尽管光学镊子（OT）为捕获和操纵微观物体提供可能，但衍射极限使其捕获纳米级物体（如纳米生物）仍具有挑战性。此外，稳定捕获所需的光强度会对生物样品造成潜在伤害。另一方面，流体动力学镊子也显示出通过局部微流体流对微/纳米物体进行非接触式操纵的巨大潜力。然而，由于这两种方法作用范围有限，均不能实现有效的纳米生物去除。
图2 单一光学镊子和光流体动力学效应与二者联合作用的纳米级捕获效果对比（摘自Advanced Science ）
自然界中，海豚经常在船的尾流中巡航，继而能够以更少的能量进行游泳和迁徙，该现象被称为“尾流效应”，在低雷诺数（Re）和高Re下均发现了这种尾流效应。低Re情况下，在前沿运动粒子产生的局域流场辅助下，能够利用尾流效应递送胶体粒子；高Re情况下，人类游泳过程中跟随在后面的人可以借用前者的尾流来抵消波浪，从而减少阻力以提高游泳效率。受尾流效应的启发，该研究结合光学捕获和光流体动力学效应（OH效应），报道了一种基于光学捕获导航的三角褐指藻（PTB，自然界中广泛存在的一种硅藻）的光流体动力学硅藻机器人（OHD），“尾流效应”则是指移动的OHD捕获纳米生物与借助船只迁徙的海豚之间的相似性。
虽然海豚的尾流效应发生在水面上，但OHD可以在流体内部工作。OHD快速旋转产生的尾流附近的纳米生物极易被OH效应捕获，此时纳米生物屏障的水动力阻力显著降低，该效应大大提高了光镊的纳米级捕获效率。OHD能够主动和按需去除细胞培养生物微环境中的不同纳米生物威胁，如病毒，支原体和致病菌，且不会影响培养细胞（包括原代神经元）的活力。通过包被壳聚糖，OHDs通过尾流效应聚集细菌后表现出显著的抗菌能力，且不会影响培养细胞的活力，大大提高了活细胞的存活率，上述特征进一步促进了靶向基因递送。
整体来看，OHD提供了一种在生物微环境中有效捕获纳米物体的新方法，且能够作为一种新的微/纳米机器人平台，用于在细胞培养（尤其是原代神经元等珍贵细胞）过程中无创、高效和广泛地去除纳米生物威胁，对单细胞分析和基于细胞的生物制造发展意义重大。
参考消息：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202301365
转自：“iNature”微信公众号
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