光力驱动的细胞医学微机器：从构建策略到生物医学应用
引言
在现代医学中，实时健康监测、精准治疗干预和靶向药物递送的能力对于提高疗效同时最大限度减少治疗相关副作用至关重要。医学微机器通常尺寸在几十纳米到几微米之间，通过克服传统诊断和治疗方法固有的操作精度和创伤性限制，提供了独特优势。随着微/纳米技术和智能控制系统的协同进步，医学微机器正在成为传统诊断和治疗方法的有前景的替代方案。然而，大多数现有的微机器依赖于人工合成材料，这些材料涉及复杂的微纳制造，并引发关于免疫原性和在深部组织中有限长期疗效的生物安全性问题。天然生物细胞与可编程光镊的集成为克服这些局限性开辟了新途径，使得基于细胞的微机器能够实现精确的行为调控和原位组装。
光学镊子的物理原理
光学镊子是一种强大的技术，它通过利用光与物质的相互作用，实现对微/纳米尺度物体的稳定捕获和精确控制。其核心原理依赖于高度聚焦的激光束，对生物细胞、细菌、亚细胞结构和功能纳米粒子等目标施加精细可控的光学力。基本机制涉及使用高数值孔径的显微镜物镜将激光束聚焦到衍射极限点。当一个小颗粒进入焦点区域时，光子的动量传递产生主要由两个分量组成的光学力：光学梯度力和光学散射力。梯度力将微粒拉向光强最高的区域，其大小与激光束的空间强度梯度成正比。相比之下，散射力由于辐射压力而沿着光传播方向推动粒子，其大小与光强成正比。为了实现稳定的光学捕获，梯度力必须主导散射力，这需要紧密聚焦和高强度的激光束来产生陡峭的强度梯度。
根据激光配置、控制机制和基本物理原理，光学操纵技术大致可分为远场和近场方法。远场策略依赖于远场中紧密聚焦的激光束产生的光学力来捕获物体。相比之下，近场策略利用表面附近受限光场强烈增强的光学梯度或动量来实现捕获，可能使用更低的激光功率。由于其非接触、高精度和可编程的特性，光学镊子已广泛应用于生物医学领域。
光力驱动的细胞医学微机器
细菌基医学微机器
作为天然运动微生物，细菌具有先天的自推进能力，使其能够在复杂微环境中精确导航，并对化学梯度产生定向趋化性。它们还表现出显著的环境适应性，可以在极端条件下生存，并具有固有的生物可降解性和良好的生物相容性。此外，在近红外波长范围内，细菌表现出高光学透明度，并且其折射率高于周围介质。这些综合特性使它们成为构建细胞生物医学微机器的有前景的候选者。
研究已利用锥形光纤探针在微流体环境中顺序捕获和组装大肠杆菌细胞成线性链结构。通过改变激光功率，可以控制捕获的细胞数量，并作为功能性生物光波导，用于研究细菌通信、信号转导和细胞间相互作用。进一步的工作构建了分支状的大肠杆菌生物波导，实现了光信号的多向传播。此外，酵母细胞已被用作天然生物微透镜，利用光子纳米射流效应增强上转换纳米颗粒的荧光发射，实现了病原菌的单细胞荧光成像。还开发了“生物纳米矛”，将光聚焦到190纳米的光斑，实现了亚波长分辨率的实时近场成像和传感。另外，利用双光纤光镊构建了基于大肠杆菌的生物相容性光学传送带，实现了纳米颗粒的稳定捕获和动态递送。
尽管基于细菌的光力驱动细胞微机器代表了精准医学的一个有前景的平台，受益于其固有的生物相容性、结构功能适应性和微创性，但其进一步的临床转化仍面临一些关键的科学和技术挑战。
微藻基医学微机器
微藻作为一种天然生物资源，用于构建多功能生物医学微机器，受到了广泛关注。作为光合生物，它们拥有特殊的光敏结构，使其对光学刺激具有高灵敏度和特异性反应，为精确的光驱动驱动提供了自然的生物力学基础。特别是，它们的运动细胞器如鞭毛或纤毛使其能够在复杂的生物微环境中自主和定向运动，其游泳效率和速度大大超过传统的合成微电机。
研究开发了完全由莱茵衣藻微藻细胞构建的全生物活体微电机，其运动可以通过光学力精确调节。利用莱茵衣藻的先天运动性和趋光性，这些微电机在不同的生物流体中表现出有效的推进能力，并能够完成复杂的生物医学任务。另一种方法将光学镊子与微流体涡流技术相结合，利用动态扫描的光学陷阱产生局部微涡流，实现对运动和不动细胞的非接触旋转操纵。还提出了基于“生物微电机镊子”的非侵入性全生物相容递送平台，使用两个光学捕获的莱茵衣藻微藻细胞作为运动微电机，产生局部流体动力流场，实现生物货物的非接触捕获和定向运输。此外，还开发了基于纤细裸藻的软微机器人，通过光子纳米射流精确激活其光感受器中的通道视紫红质2，将其转化为可变形软微机器人，实现了亚细胞精度的导航。
红细胞基医学微机器
作为血液的天然内源性成分，红细胞具有先天的优势，包括卓越的生物相容性、最小的免疫原性以及对内部生理环境的高度适应性。它们特征性的双凹圆盘形态和卓越的变形能力使其能够平滑地穿过狭窄的毛细血管并在身体组织中有效分布。此外，红细胞可以通过膜渗透或表面修饰策略功能性地装载纳米药物，同时保持长达数周至数月的循环寿命，而无需外部能源。
研究引入了一种使用锥形光纤探针组装和操纵红细胞成可重构微透镜的光学方法。红细胞缺乏细胞内细胞器，导致细胞内折射率相对均匀，且高于周围血浆，从而能够实现稳定的光学捕获和高效的光聚焦。同时，它们天然的双凹圆盘形态固有地起到微透镜元件的作用，其显著的变形能力允许在温和的光学力下动态调整光学特性。利用可移动的红细胞微透镜，他们对单个细胞膜进行了三维扫描光学成像，同时通过光学力诱导受控的膜拉伸。基于这一概念，开发了一种亚波长可调生物微透镜技术，通过动态调整注入锥形光纤的激光功率，驱动肿胀红细胞的连续变形，从而实现对微透镜焦距的精确调谐。
除了基于红细胞的微透镜，还开发了一种用于红细胞长距离和旋转操纵的光学微电机。在一种互补的方法中，报道了一种基于红细胞光学波导的活体生物传感器和微电机。该波导通过在两个锥形光纤之间光学捕获的红细胞形成，能够通过分析光传播模式实时感知血流中的pH值。在检测到异常pH水平时，施加光学扭矩以诱导红细胞波导的受控旋转，促进局部血流和微药物的靶向运输。
除了作为生物微电机外，红细胞还被设计为无标记且生物相容的光流体开关，用于在体内调节血液微流。通过使用扫描光学镊子在血管分叉处精确排列和旋转红细胞，这些光流体开关能够以单细胞精度和约200毫秒的快速响应时间精确控制血液微流的速度和方向。基于这一概念，通过内源性红细胞、可编程扫描光学镊子和柔性光流体策略的有机结合，开发了一种活体红细胞基微路由器。通过以受控的速度和方向旋转五个红细胞，产生特定的驱动微流，从而对各种血液成分施加明确的水动力，实现选择性路由。
免疫细胞基医学微机器
作为身体免疫防御系统的核心功能单元，免疫细胞在健康监测、抗原清除和免疫稳态中起着至关重要的作用。其中，中性粒细胞主要负责快速病原体检测和清除，以及调节炎症反应。同时，它们通过吞噬作用、抗菌剂释放和中性粒细胞胞外陷阱的形成，在细菌感染和组织损伤期间充当第一反应者。除了中性粒细胞，巨噬细胞是另一类主要的先天免疫效应细胞，具有强大的吞噬活性。它们通过消除病原体和异常细胞来促进宿主防御，并在炎症消退和组织修复中发挥重要作用。值得注意的是，血小板虽然传统上因其止血功能而被认可，但也表现出重要的免疫调节作用。
研究证明，中性粒细胞可以通过光学拉伸器进行预激，随后通过振荡机械变形返回静止状态。这种机械调节诱导细胞去极化的速度比未受干扰的细胞快两个数量级。基于这些体外见解，成功将天然中性粒细胞转化为体内光学控制的生物微飞行器，这是通过将中性粒细胞的先天免疫功能与智能光学镊子策略相结合实现的。中性粒细胞首先被光学捕获，然后通过受控迁移、空间组织和实时形态转变进行引导。一个关键机制涉及周期性光学拉伸以诱导丝状伪足形成，这加速了从静止状态到激活状态的转变，并允许实时引导迁移轨迹。这种精确的光学操纵显著增强了细胞性能，实现了定向迁移速度约为自发运动的三倍。
除了中性粒细胞，巨噬细胞在免疫反应和组织稳态中起着关键作用。当前基于巨噬细胞的微机器设计策略主要利用其先天的吞噬活性和免疫逃避特性来开发靶向药物递送系统。建立了结合光学镊子、共聚焦荧光显微镜和微流体策略的集成平台，以分离单个巨噬细胞并监测其对生化刺激的实时反应。这种非接触系统克服了传统细胞相互作用研究的关键限制，为实时观察巨噬细胞早期激活提供了高时空分辨率。此外，开发了一种光驱动的吞噬性巨噬细胞微机器人，能够在体外和体内设置中精确导航并靶向消除生物威胁。该系统通过用紧密聚焦的近红外光光学激活静止状态的巨噬细胞来操作，绕过了基因修饰或人工工程的需要。激活后，巨噬细胞微机器人通过扩展的伪足表现出引导的定向运动，使其能够主动追踪和吞噬各种目标。
作为天然生物胶，血小板在止血和血管修复中起着至关重要的作用，由于其丰富的膜受体和细胞外基质蛋白，表现出高效的细胞间和细胞-基质粘附。这些内在特性使它们成为构建具有增强生物相容性、靶向功能和生理整合的生物微机器的理想构建块。利用这些特性，通过将可编程光学镊子与内源性血小板的先天粘附能力相结合，开发了一种体内光学可重构血小板结构。通过精确控制光学力景观，多个血小板被动态捕获、排列并自发结合成稳定的微结构，无需基因或化学修饰。由此产生的结构表现出高灵活性和可重构性，能够在活体血管环境中实现一系列生物医学功能。
亚细胞结构基医学微机器
亚细胞结构在细胞生长、发育和应激反应中起着重要作用，通过高度协调的分子网络维持稳态和功能。由于其天然的尺寸兼容性、内在的生物相容性和功能特异性，内源性亚细胞结构已成为构建多功能医学微机器的理想构建块。这些天然成分为实现在诊断和治疗中的亚细胞级精度提供了独特优势，这是传统合成材料难以达到的控制水平。利用这些特性，光力已被用于高精度地捕获、排列和定向运输亚细胞结构。这种能力使得能够在不同细胞之间受控转移和靶向递送功能组件，允许在微观尺度上定量分析细胞过程的分子机制。
研究成功展示了一种使用光纤探针进行细胞内结合和可控操作叶绿体的非接触光学镊子策略。通过将980纳米的激光束耦合到光纤探针中，实现了叶肉细胞内叶绿体的稳定光学捕获，实现了细胞器的快速有效重新分布以及叶绿体链的动态形成，以期望提高光合效率。这种光学策略不仅允许叶绿体的可控细胞内运输，而且实现了二维叶绿体阵列的精确组装。基于细胞器的光学捕获，后续研究已扩展到包括其他功能性亚细胞结构。研究证明细胞内脂滴可以作为固有的生物相容性微透镜工作，能够在非接触模式下聚焦激发光，并在接触模式下增强荧光信号。这些基于脂质的微透镜可以通过光力精确定位，实现亚细胞成分的实时成像和细胞外信号的检测。在一种互补的方法中，提出了一种体内光驱动内源性微泵，该泵使用来自红细胞的细胞核构建。在可编程扫描光学镊子产生的光学力下，被捕获的细胞核进行受控旋转，产生能够在线微血管环境中运输纳米颗粒和细胞的局部微流。
鉴于其在中枢神经元代谢和信号传导中的核心作用，线粒体已成为神经退行性疾病功能性微观干预的有希望的候选者。它们内在的生物相容性和在细胞能量通路中的基本地位使其特别适合作为生物医学应用的内源性微机器。使用扫描光学镊子结合荧光成像，实现了神经元轴突内单个线粒体的精确和定向操纵。这种方法实现了靶向线粒体定位和运输，为神经疾病的亚细胞调节和治疗创新提供了新途径。扩大了细胞器级控制的范围，进一步利用隧道纳米管作为天然生物光子传送带进行细胞间细胞器运输。具体而言，这些膜纳米管可以作为纳米级光波导，能够引导近红外光产生光学力，用于线粒体和纳米囊泡在活细胞之间的定向运输。值得注意的是，这种方法已被应用于防止线粒体从免疫细胞劫持到癌细胞，从而重新激活免疫反应并抑制肿瘤进展。此外，该技术操作无需基因修饰或药物治疗，能够在生理条件下研究细胞间通讯。
挑战与未来
尽管光力驱动的生物微机器的发展取得了显著进展，但本综述中讨论的大多数研究仍然集中在体外系统上。将此类技术转化并应用于体内仍然具有挑战性。一个主要限制在于它们对复杂生物环境的适应性有限。生物组织对光的吸收和散射将光学穿透限制在毫米级的表层，阻碍了它们进入深部病变。此外，血流环境的动态特性干扰了导航精度和推进效率，大大降低了光学控制的稳定性和灵活性。目标识别、特定细胞的选择性捕获和操纵也很困难。活体内微环境是高度异质性的，包含具有可变表型和功能的不同细胞群。功能上，当前的光力驱动细胞微机器能力仍然相对有限，尚无法在一个连续过程中实现集成成像、诊断、治疗和反馈。从安全角度来看，潜在的光毒性仍然是一个问题。
为了解决上述挑战，综合的跨学科策略至关重要。在生物光子学领域，可以通过先进的光学设计和控制方法来减轻光-组织相互作用的局限性。使用生物相容性近红外激光器，结合光学场分布的精确调制，有助于减少光毒性，同时保持操纵功效。此外，利用光子纳米射流等效应可以增强局部光学场强度，从而提高控制精度。结合自适应光学，特别是通过检测和动态补偿波前像差的空间光调制器，即使在较深的组织区域也能实现精确的光学控制。新兴的硬件进步，如多模光纤和微型可植入透镜探头，可以将光物理传递到深部组织，从而有效克服表面光学系统的穿透限制。展望未来，与光声成像的整合可能为深部区域细胞的精确和非侵入性操纵提供一条途径。
精确的目标识别、捕获和操纵可以通过多维策略实现。首先，基于形态的预选择利用了光学镊子将激光束聚焦到亚微米尺寸的能力。结合高分辨率显微镜，这种方法能够准确定位和选择性捕获具有独特形态特征的单个细胞或特定亚细胞结构。其次，整合人工智能辅助识别算法提供了一种强大的补充策略。通过构建跨细胞类型的形态和光学特征的综合数据库，以及采用深度学习模型进行特征提取和细粒度图像分类，可以显著提高细胞识别的效率和特异性。这种人工智能驱动的框架进一步促进了智能陷阱加载和光学势的实时调制，从而在复杂的生物环境中实现稳健的单细胞级捕获和操纵。
在智能控制领域，大规模并行光学镊子系统的进步至关重要。通过整合深度学习驱动的优化算法，可以生成数百甚至数千个独立可控的光学陷阱，实现高通量细胞操纵和动态分选。此外，光学镊子与微流体技术的无缝集成提供了一种协同策略：微流体可以执行初步的粗定位和筛选，而光学镊子提供随后的精确捕获和远程驱动。这种组合方法显著提高了光力驱动细胞微机器的组装效率，并扩展了它们在大规模生物医学应用中的实用性。同时，可以利用人工智能进行高效的数据处理和实时反馈控制，允许动态优化微机器的轨迹和操作任务。总之，这些智能控制策略显著提高了此类系统在复杂和动态生物环境中的适应性和功能性能。
在生物制造领域，3D生物打印技术的整合使得能够高精度空间组装具有不同功能的细胞和亚细胞结构，从而促进先进微型医疗机器的高效制造。更重要的是，这种方法提供了按需构建和受控拆卸这些系统的能力，从而能够创建具有改进适应性的定制和功能增强的微机器。最近的研究验证了3D生物打印用于空间控制细胞组装的可行性，成功生成了有组织的细胞聚集体，并为未来开发更复杂的生物医学系统提供了可行的途径。例如，提出了一种基于热光学镊子的微操纵平台，能够以亚微米精度构建3D细胞微结构。通过整合胚胎干细胞、细胞外基质成分、水凝胶和控释微粒，他们成功地设计了仿生微环境，再现了天然干细胞生态位的关键结构和生化特征。这种集成策略能够对细胞组织和化学信号进行时空控制，同时支持体外多细胞结构的精确重建。
尽管光学镊子技术可以执行细胞的非接触操纵，但难以保持稳定的细胞间接触。传统方法通常依赖异种连接体来稳定细胞-细胞连接，这可能会引入细胞毒性并损害正常的细胞功能。为了解决这一局限性，开发了一种无支架策略，用于在光力作用下在大分子拥挤环境中构建稳定的3D细胞组装体。通过引入亲水聚合物，他们证明细胞的瞬时光学配对可以触发持续的细胞-细胞粘附，即使在聚合物去除后仍能持续。这种效应归因于耗尽诱导的相互作用和膜重组，其中相对膜之间的纳米级接近通过热驱动相互作用促进稳定粘附，同时保持膜流动性。值得注意的是，该技术不会引起可观察到的细胞损伤，并为无支架组织组装提供了一条新途径。初步研究结果还表明，天然聚合物可以作为合成聚合物的替代品，突出了这种方法在组织工程和再生医学中的转化潜力。例如，引入了葡聚糖作为一种更生物相容、侵入性更小的拥挤剂。使用葡聚糖诱导大分子拥挤，他们通过耗尽相互作用成功实现了强大的细胞-细胞粘附，并突出了耗尽效应而非渗透压在促进细胞间直接吸引相互作用中的核心作用。此外，他们证明葡聚糖都可以引发类似的细胞组装行为，从而为单细胞操纵提供了一个有前景的平台，对再生应用具有广泛意义。
基于生物细胞光学捕获的进展，成功使用脂肪来源的间充质干细胞和内皮细胞构建了3D细胞组装体，展示了创建复杂组织样结构的潜力。同时，建立了一种新颖的微流体平台，通过光驱动和抗体功能化的微工具实现细胞簇的单细胞级组装。他们用针对膜蛋白的特异性抗体功能化了微结构，允许通过抗原-抗体相互作用选择性捕获细胞。当在微流体环境中通过光力操纵时，这些功能性微工具实现了精确捕获、定向运输和将HeLa细胞受控组装成预定义的簇。比较验证证实了抗体包被微工具优于非功能化对应物的粘附性能。这种集成方法为自下而上构建复杂多细胞系统提供了一种通用和模块化策略，在组织工程、再生医学和高通量药物筛选平台中具有巨大潜力。这些进展表明，基于光学镊子的3D生物打印能够精确制造所需的细胞聚集体，这些聚集体可以作为生成具有生物相关成分的组织样组装体的有效“种子”。由此产生的构建体为体外器官建模提供了基础单元，建立了生物医学研究的关键技术平台。重要的是，如前所述，光学镊子在操纵多种亚细胞结构和功能细胞类型方面具有独特的灵活性。通过整合这些天然生物成分的多功能能力，有可能实时动态组装光力驱动的细胞微机器人，以满足特定的治疗需求。
结论
本综述系统总结了由天然生物成分构建的五大类医学微机器，特别关注四种天然细胞类型以及各种亚细胞结构作为独特的功能单元。我们强调了每种细胞和亚细胞成分的独特生物学特性，并探讨了如何利用这些固有特性来设计用于生物医学应用的专用微机器。这些系统的潜在应用涵盖多个领域，包括光学成像、传感和检测等基本能力，以及实时诊断、靶向药物递送和期望疾病治疗等高级临床功能。这一研究方向不仅为精准医学提供了多样化的生物工具，而且显著推进了医学微机器在疾病管理中的实际应用。此外，我们解决了阻碍临床转化的多维挑战，并提出了潜在的设计优化策略。光控3D生物打印技术的整合使得能够按需实时制造功能复杂的细胞微机器，从而为未来的精准医学应用奠定了坚实的技术基础。总之，细胞医学微机器既是生物医学中有前景的治疗方式，也是深度跨学科整合产生的核心技术平台，这将加速个性化和智能化医疗方法的发展，并在临床诊断和治疗中具有推动变革性进步的巨大潜力。
