《Sensors and Actuators B: Chemical》：Deep Learning Enabled Magnetic/Rare Earth Hybrid Nanorobots for Multi-modal Bioimaging and Temperature Sensing with Surgical Boundary Determination
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本研究提出一种磁稀土复合纳米机器人平台，结合磁铁矿基体和稀土纳米颗粒（RENPs），实现NIR II荧光、MRI和光声多模态成像，并利用抗VEGF和c-MET抗体实现双重靶向，同时通过深度学习增强实时温度监测，显著提升肿瘤诊断与治疗精准度。
李文静|林蓓|李碧晓|张培富|朱子月|Anees A. Ansari|吕瑞晨
中国陕西省西安市电子科技大学机械电子工程学院生命科学技术学院高性能电子设备机电一体化制造国家重点实验室，邮编710071
摘要
纳米机器人具有微型化、无线操作和灵活移动的特点，能够进入狭小空间，在生物医学领域得到广泛应用。高精度运输对于靶向药物递送、疾病诊断和治疗至关重要，但目前的研究存在不足，如单成像诊断能力有限以及主动肿瘤靶向能力不足。本研究提出了一种磁性纳米机器人平台，该平台结合了氧化铁基底和稀土纳米颗粒（RENPs）。这种磁性纳米机器人具备多种成像模式，包括近红外II（NIR II）荧光、磁共振成像（MRI）和光声成像（PA），并且具有快速的目标移动效果（<5秒）。通过与针对MET和VEGF的抗体结合，该平台实现了多分子靶向。在外加磁场的作用下，这种双靶向（主动磁性和物理磁性）技术能够在体外和体内精确定位肿瘤细胞并进行肿瘤成像。此外，其NIR II荧光功能还增强了实时温度检测能力（检测范围：24.6-41.5℃）。特别是深度学习技术的应用使得NIR II成像能够同时实现增强的荧光成像，用于手术边界定义和温度感知显示（R2=0.973，RMSE=1.50℃）。凭借其高穿透性和空间分辨率，这种磁性/稀土混合纳米机器人在精准生物医学领域具有巨大潜力。
引言
近年来，纳米机器人在生物医学领域的应用受到了广泛关注。纳米机器人凭借其小巧的体积、强大的机动性和高精度，在微创手术、疾病诊断、生物传感和药物递送等方面得到了应用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。在驱动力的作用下，它们能够灵活移动并到达目标位置。驱动力主要分为外部物理刺激（如光、声和磁力）和局部化学反应刺激[6]、[7]、[8]。但由于微环境和机体差异的影响，局部化学反应刺激的可控性有限。相比之下，物理驱动力的可控性相对稳定。尤其是磁性驱动的纳米机器人得到了广泛研究，它们能够在磁力的作用下到达难以到达的地方和组织[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。例如，在先前的研究中提出了软体磁性微机器人，该微机器人在磁场的作用下能够实时、高精度地通过狭窄受限的空间移动，到达内窥镜和医疗机器人无法到达的区域，这对临床诊断和治疗具有重要意义[14]、[15]。然而，仅依靠外部磁场的被动靶向难以实现精确的目标定位。因此，开发具有主动靶向功能的多功能磁性纳米机器人是一个挑战。
分子靶向技术利用与肿瘤相关的关键分子来精准定位肿瘤部位。由于纳米机器人体积微小，传统收发器难以嵌入其中，而多分子嵌入的纳米机器人则易于实现，并且具有良好的生物相容性。纳米机器人可以在循环血液或局部微环境中通过分子通信来改善肿瘤的定位和聚集[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。血管内皮生长因子（VEGF）和细胞-间充质上皮转化因子（c-MET）在头颈部肿瘤中过度表达[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。肿瘤的生长、侵袭和转移依赖于新生血管的形成以获取营养和氧气。VEGF是一种促血管生成的生长因子，通过细胞膜上的受体发挥作用，是肿瘤新生血管形成、侵袭和转移的关键因素，已被作为重要的肿瘤分子靶点。贝伐单抗已被FDA批准用于肺癌、乳腺癌和结直肠癌的治疗，是目前临床实践中最常用的VEGF靶向抑制剂[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。c-MET作为肝细胞生长因子（HGF）的受体，是一种位于细胞表面的膜蛋白，包含细胞外、跨膜和细胞内区域。当c-MET与HGF结合时，c-MET分子的构象会发生变化，从而激活下游信号通路，促进肿瘤细胞的生长、增殖、侵袭和转移。因此，c-MET作为肿瘤分子靶点受到了广泛关注[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。VEGF和c-MET都可以作为肿瘤诊断的关键分子标志物。
分子成像结合了分子生物学和医学成像技术，在肿瘤的诊断和治疗中发挥着重要作用。常见的分子成像技术包括磁共振成像（MRI）、计算机断层扫描（CT）、超声成像（US）、正电子发射断层扫描（PET）和光学成像[37]、[38]、[39]、[40]。MRI具有较高的空间分辨率，对复杂解剖结构（如深层部位）的成像效果良好。尽管它是当前临床肿瘤定位的重要基础，但其成像灵敏度尚不够高[41]、[42]、[43]。近红外（NIR）荧光成像具有灵敏度高、成本低和操作简单的优点。NIR I（700-900nm）成像已在肿瘤诊断和手术导航中得到广泛应用，吲哚菁绿（ICG）已被FDA批准用于临床使用。近红外II（NIR II，1000-1700nm）成像具有深度穿透能力和高空间分辨率[44]、[45]、[46]、[47]。光声成像（PAI）是一种结合光学成像和超声成像的混合成像技术，能够检测生物组织的结构和功能，具有更高的空间分辨率和穿透深度[49]、[50]。由于肿瘤微环境的复杂性和个体差异，每种成像技术都有其优缺点，单一成像方法容易导致漏诊或误诊。多模态成像因其高灵敏度、高空间分辨率和高对比度而受到广泛关注，能够整合多种成像信息，提高疾病诊断的准确性[51]、[52]、[53]、[54]、[55]。分子成像探针的构建对成像性能至关重要。常见的成像探针包括有机探针、量子点、金属离子和稀土纳米探针。其中，稀土纳米材料具有良好的光学稳定性、低生物毒性和高灵敏度。掺杂稀土的上转换纳米材料在近红外光激发下具有较高的穿透深度。根据掺杂稀土离子的不同，可以实现稀土纳米探针的多模态成像。稀土纳米材料在肿瘤成像和诊断中具有广阔的应用前景[56]、[57]、[58]、[59]、[60]。然而，分子成像探针的靶向性和特异性仍是一个挑战。
在本研究中，我们构建了一种用于多分子肿瘤靶向和多模态成像的磁性纳米机器人，并通过深度学习实现了实时温度监测（方案1）。采用四氧化三铁作为载体，混合稀土纳米颗粒制备了Fe?O?@SiO?@RENPs纳米平台，使其具备NIR II区域的成像性能。使用DSPE-PEG-NH?修饰纳米机器人表面，然后在其表面加载荧光染料异硫氰酸荧光素（FITC），使该纳米探针具备NIR I区域、NIR II区域成像、磁共振成像和光声成像等多模态成像功能。同时，在探针表面偶联了贝伐单抗和卡马替尼，这两种物质可以识别VEGF和c-MET，从而在磁力驱动和多分子靶向的作用下实现更高效的肿瘤定位、诊断和治疗。磁共振/NIR II荧光/光声成像与磁靶向/多分子主动靶向的协同作用提供了高效、灵敏且全面的生物成像信息。本文构建的磁性纳米机器人成功实现了小肿瘤的检测和血管成像，提高了穿透深度和分辨率，同时还具备实时温度监测功能。
试剂和材料
氧化钇（99.5%）、氧化镱（99.5%）、氧化铒（99.5%）、氯化铈（99.9%）、油酸（OA，90%）、甲醇（AR）、1-十八烯（ODE，90%）、氢氧化钠（NaOH，AR）、柠檬酸钠（98%）、三水合醋酸钠（99.99%）、氟化铵（NH?F，AR）、DSPE-PEG-NH?和乙二醇（GC）均由中国上海阿拉丁生物化学技术有限公司提供。甲基噻唑基二苯基四唑溴化物（MTT）和线粒体绿色荧光探针（Mito-tracker）也由该公司提供。
所提出的磁性/稀土混合纳米机器人的材料特性
图S1A1-A3中的Fe?O? SEM图像显示，合成的纳米晶体呈均匀球形。根据粒度分析仪的结果（图S2），Fe?O?颗粒的大小约为70nm。NaYF?:Yb, Er, Ce稀土纳米颗粒（RENPs）通过经典的热分解法制备，如图S1B1-B3所示，这些纳米颗粒分布均匀，平均尺寸约为30nm。图1A-C展示了典型的发射特性。
结论
本研究设计了一种复合磁性纳米机器人Fe@SiO?@RENPs-FITC-Anti作为肿瘤诊断的纳米平台。该纳米机器人具备NIR II荧光成像、荧光成像、光声成像（PAI）和磁共振成像（MRI）等多模态成像能力。同时，结合的贝伐单抗和卡马替尼抗体能够分别靶向肿瘤中高表达的VEGF和c-MET。体内和体外实验均证明了该纳米机器人的有效性。
CRediT作者贡献声明
李碧晓：研究工作。
林蓓：方法学设计。
李文静：数据整理。
吕瑞晨：研究监督、资金获取和概念构思。
Anees Ansari：撰写、审稿与编辑。
朱子月：结果验证。
张培富：软件开发。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号82472104和U24B2053）、陕西省自然科学基础研究计划（项目编号2025JC-JCQN-023）、陕西省关键核心技术研究与发展计划（项目编号2024QY2-GJHX-03）、西安市青年和中年科技创新人才支持计划（项目编号25ZQRC00020）以及电子科技大学跨学科探索专项基金（项目编号TZJHF202510）的支持。
作者声明没有
李文静于2021年在中国西安电子科技大学获得生物医学工程学士学位，目前在该校机械电子工程学院攻读博士学位，主要研究方向为材料设计、合成和医学工程。
