針對上述問題，中山大學彭飛教授設計并制造了一種基于天然微藻模板加載磁性納米顆粒和多巴胺的微電機（micromotor）。這種微電機能夠在外部磁場引導下準確到達目標腫瘤位置，并通過超聲波激活誘導多巴胺在體內聚合，形成一層聚多巴胺涂層將腫瘤包裹起來，阻斷其與外界環(huán)境的相互作用并誘導腫瘤細胞凋亡。首先，研究人員詳細表征了微電機的物理化學性質及其功能特性，包括其在磁場下的導航能力和超聲波觸發(fā)的多巴胺聚合能力。接著，通過動物實驗驗證了微電機的有效性和安全性，結果顯示，微電機可以在腫瘤部位成功地形成聚多巴胺涂層，有效地阻止了腫瘤與周圍組織的交互，并促進了腫瘤細胞的凋亡。最后，研究表明，使用后的微電機能夠在體內安全降解，不會對機體造成額外負擔或毒性問題。這種方法不僅克服了傳統(tǒng)治療手段的局限性，還展示了在復雜生物環(huán)境中的高效性和可行性，為未來癌癥治療開辟了新的途徑。該文章于2025年3月22日以《Micromotors assisted in vivo dopamine polymerization for anti-tumor therapy》為題發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》（DOI: 10.1016/j.cej.2025.161728）。

圖1 研究示意圖

（1）MSP@DA微電機的制備表征及運動評估

圖2a展示了螺旋藻在亮場顯微鏡下呈現出的綠色外觀及其自發(fā)熒光特性。SEM觀察到Fe3O4納米顆粒在螺旋藻表面形成了均勻且致密的磁性涂層（圖2b），而未處理的螺旋藻表面則顯得光滑。能量色散X射線光譜（EDX）分析和元素映射進一步確認了MSP中含有Fe3O4成分。隨后，在pH值為8.5的條件下，將多巴胺加載到帶正電荷的MSP上，形成MSP@DA，并通過傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）分析證實了多巴胺的成功負載（圖2e）。紫外-可見光譜（UV-VIS）和熒光光譜顯示MSP和MSP@DA的吸收和發(fā)射峰與原始螺旋藻相似，表明其固有性質得以保留。此外，通過UV-VIS光譜測量不同濃度的多巴胺溶液的吸光度峰值，確定了MSP@DA中的多巴胺負載量為192 ± 2 μM，釋放濃度為113 ± 1 μM。最后，通過超聲處理后形成的聚多巴胺（PDA）展示出典型的寬帶吸收光譜，這與暗色PDA材料的光學性質一致（圖2f）。時間序列圖像記錄了微電機在旋轉磁場下的運動軌跡（圖2g），并定量評估了其平均速度和方向性（圖2h, i）。結果顯示，在旋轉磁場的作用下，微電機的平均速度為208.05 μm/s，方向性為0.68，表現出良好的可控性和定向移動能力。

圖2. MSP@DA的表征和運動。（a）螺旋藻的明場和熒光顯微鏡圖像；（b）SP、MSP和MSP@DA的SEM圖像；（c）MSP的EDX；（d）SP、Fe?O? NPs、MSP、多巴胺和MSP@DA的Zeta電位；數據以平均值±標準差表示，n=3；（e）MSP和MSP@DA的FT-IR光譜；（f）多巴胺在200 μM、100 μM和10 μM處的紫外-可見吸收光譜，以及超聲處理后形成的相應聚多巴胺；（g）在20 s內每5 sMSP@DA在DI水中的移動延時圖像；比例尺=100 μm；（h）30秒內MSP@DA在DI水中的軌跡；（i）MSP@DA的速度和方向性大?。?2條軌跡）

（2）MSP@DA微電機的體外聚合和抗腫瘤治療

圖3a展示了經過10分鐘超聲處理后，MSP@DA在4T1細胞周圍形成了大量的黑色聚多巴胺（PDA）產物。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示，經MSP@DA+US處理后的細胞表面覆蓋了一層粗糙且不均勻的涂層（圖3b）。凝膠滲透色譜（GPC）分析和分子量分布曲線表明，形成的PDA具有5057 Da的重均分子量（Mw）和1.22的多分散指數（PD）（圖3c, S9）?；|輔助激光解吸/電離飛行時間質譜（MALDI-TOF MS）進一步驗證了PDA的形成（圖S10）。Calcein-AM/PI熒光染色結果顯示，與單獨使用US、MSP或MSP@DA相比，MSP@DA+US顯著增強了對4T1細胞的體外細胞毒性，約97.6%的細胞發(fā)生了凋亡（圖3d）。此外，通過N,N-二甲基甲酰胺（DMF）提取并分析了細胞上的PDA涂層（圖3e），并通過熒光葡萄糖類似物探針驗證了由PDA封裝介導的腫瘤細胞凋亡機制（圖3f）。ROS和GSH水平檢測結果顯示，ROS生成和GSH消耗與細胞死亡無關（圖3g）。CCK-8實驗評估了Fe3O4納米顆粒和MSP@DA微電機對正常細胞（293T和HUEVC細胞）的細胞毒性，結果表明即使在高濃度下，細胞活力仍保持在90%以上（圖3h, i）。最后，4T1細胞與不同濃度的MSP@DA孵育并在超聲波輔助下進行培養(yǎng)，結果顯示，在50 μg/mL濃度下，細胞活力下降約40%，達到68.2%的腫瘤抑制率（圖3j）。特別地，熒光顯微鏡圖像展示了經過不同處理后3D培養(yǎng)的4T1細胞球體的存活情況，顯示出MSP@DA+US處理導致近89.1%的細胞死亡（圖3k）。

圖3. MSP@DA體外治療。（a）超聲輔助MSP@DA微馬達的聚合效果；（b）MSP@DA + US處理4T1細胞的SEM圖像；（c）MSP@DA + US處理的PDA樣品GPC分子量分布；（d）不同處理后4T1細胞的活/死染色；（e）不同組治療后4T1細胞葡萄糖類似物攝?。槐壤?50 μm；（f）DCFH-DA染色4T1細胞ROS熒光強度；（g）各組處理后細胞內GSH水平；（h）不同濃度MSP@DA微馬達處理293T和HUEVC細胞的細胞活力；（i）不同濃度Fe?O?納米顆粒處理293T和HUEVC細胞的細胞活力；（j）CCK-8測定不同濃度MSP@DA微馬達和MSP@DA + US處理4T1細胞的細胞存活力；（k）不同處理后3D培養(yǎng)4T1細胞球體的活/死染色；比例尺=500 μm

（3）體內聚合US成像

首先，圖4a展示了通過尾靜脈注射MSP@DA微電機后，利用小動物超聲成像技術追蹤其在體內的定向移動情況，結果顯示微電機能夠在磁場引導下逐漸向腫瘤部位聚集，并在超聲波作用下形成聚多巴胺（PDA）涂層。圖4b展示了超聲波觸發(fā)聚合反應前后腫瘤區(qū)域的超聲回聲變化，顯示出高回聲區(qū)域的出現，表明腫瘤同質性發(fā)生了改變。圖4c進一步顯示了血流信號的變化，表明超聲波誘導的多巴胺聚合有效地減少了腫瘤的血液供應。隨后，在體內實驗中，將荷瘤小鼠隨機分為六組（PBS、US、MSP、MSP+US、MSP@DA、MSP@DA+US），每兩天監(jiān)測一次腫瘤體積和小鼠體重（圖4d）。結果表明，與PBS組相比，MSP@DA+US組顯著減少了腫瘤體積達62%以上（圖4e-g）。在整個治療期間，各組小鼠的體重變化可以忽略不計，表明微電機具有良好的生物相容性和安全性（圖4h）。此外，H&E染色揭示了超聲波介導的微電機引起的顯著腫瘤細胞壞死（圖4i）。Ki-67和TUNEL染色分別顯示了細胞增殖和凋亡情況，結果顯示MSP@DA+US處理顯著抑制了92.6%的腫瘤細胞增殖并促進了65.6%的細胞凋亡（圖4i）。最后，研究還驗證了Fe3O4納米顆粒在體內的生物降解機制，主要通過肝臟中的巨噬細胞捕獲并在溶酶體酸性環(huán)境中消化，最終轉化為鐵離子循環(huán)于體內（圖S14, S15）。

圖4. 體內超聲成像和腫瘤治療。（a）磁引導下靜脈注射微馬達后Balb/c小鼠尾部的US成像；（b）腫瘤超聲（B）回波信號成像；（c）不同治療前后血流信號圖；（d）MSP@DA治療4T1荷瘤小鼠的方案；（e）治療期間4T1荷瘤小鼠的腫瘤體積；（f）第14天各組小鼠離體腫瘤重量；（g）各組小鼠腫瘤圖像；（h）各組小鼠體重變化曲線；（i）不同治療組腫瘤的H&E、Ki-67和TUNEL染色圖像；比例尺=50 μm