浙江大學(xué)研制出了一款微納機(jī)器人
微納機(jī)器人指的是尺度介于微納米級(jí)別,可以對(duì)微納空間進(jìn)行精細(xì)操作的機(jī)器人。由于其具有靈活運(yùn)動(dòng)、精確靶向、藥物運(yùn)輸?shù)饶芰?,在疾病診斷治療、靶向遞送、無(wú)創(chuàng)手術(shù)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而現(xiàn)階段針對(duì)微納機(jī)器人的有關(guān)研究大多聚焦在體外,在體內(nèi)治療應(yīng)用的更多預(yù)期功能仍然具有極大的挑戰(zhàn)性。
近日,浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院/轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院周民研究員團(tuán)隊(duì)研制出一款微納機(jī)器人,通過(guò)以微藻作為活體支架,“穿上”磁性涂層外衣,靶向輸送至腫瘤組織,成功改善腫瘤乏氧微環(huán)境并有效實(shí)現(xiàn)磁共振/熒光/光聲三模態(tài)醫(yī)學(xué)影像導(dǎo)航下的腫瘤診斷與治療。
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這項(xiàng)研究被刊登在材料領(lǐng)域著名期刊《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials),并被遴選為當(dāng)期封面。論文的第一作者是浙江大學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院交叉學(xué)科直博生鐘丹妮,論文通訊作者為周民研究員。
光合作用解決供氧不足
在腫瘤治療中,為何需要微納機(jī)器人靶向提供氧氣呢?
這是因?yàn)槟[瘤細(xì)胞在快速增殖中消耗了大量的氧氣,導(dǎo)致腫瘤組織內(nèi)部存在缺氧微環(huán)境,這成為眾多腫瘤治療方法出現(xiàn)耐受現(xiàn)象的重要原因之一。一般臨床腫瘤治療采用的放療和光動(dòng)力治療中,患者通過(guò)高壓氧倉(cāng)吸氧來(lái)解決腫瘤內(nèi)部氧氣不足的問(wèn)題。但這種方法往往收效甚微,并不能達(dá)到靶向供氧到腫瘤部位,難以提高腫瘤治療效果。
螺旋藻,一種生活中常見(jiàn)的微藻,作為水生植物能夠通過(guò)光合作用產(chǎn)生氧氣。那么如何將該微藻送進(jìn)腫瘤?課題組提出將超順磁性的四氧化三鐵納米顆粒通過(guò)浸涂工藝,均勻涂層至微藻表面。磁性工程化的微藻能夠在外部磁場(chǎng)控制下,能夠定向運(yùn)動(dòng)至腫瘤。
磁性工程化螺旋藻,在磁鐵控制下能定向移動(dòng)
“研究的創(chuàng)新性在于無(wú)機(jī)和有機(jī)的微納體,選擇性把藥物輸送到腫瘤缺氧部位?!敝苊窠榻B,他們所研制的微納機(jī)器人是一種光合生物雜交體系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)既保持了微藻高效的產(chǎn)氧活性,還兼有四氧化三鐵納米顆粒的定向磁驅(qū)能力。
微納機(jī)器人通過(guò)光合作用提高腫瘤氧氣濃度
在具體治療中,通過(guò)體外交變磁場(chǎng)將微納機(jī)器人靶向運(yùn)送并積累至腫瘤,通過(guò)體外光照,由光合作用原位產(chǎn)生氧氣來(lái)減輕腫瘤內(nèi)部乏氧程度,從而提高放射療法的效率。“在小鼠的原位乳腺癌模型中,經(jīng)增強(qiáng)的聯(lián)合治療展現(xiàn)了明顯的腫瘤生長(zhǎng)抑制作用。”
增強(qiáng)放療/光動(dòng)力協(xié)同治療抑制腫瘤生長(zhǎng)并可降解
葉綠素一面照出腫瘤變化的鏡子
光合生物雜交微納泳體系統(tǒng)不僅對(duì)于放療具有積極作用,在經(jīng)過(guò)射線處理后釋放的葉綠素能作為光敏劑,進(jìn)而產(chǎn)生具有細(xì)胞毒性的活性氧來(lái)殺死腫瘤細(xì)胞,實(shí)現(xiàn)協(xié)同光動(dòng)力治療?!罢5墓鈩?dòng)力治療需要氧氣和活性氧才能順利開(kāi)展,目前的微納機(jī)器人能夠很好地解決這兩個(gè)需求?!?/p>
此外,微藻中含有的大量葉綠素,也具有的天然熒光和光聲成像功能,可以無(wú)創(chuàng)性地監(jiān)測(cè)腫瘤治療情況和腫瘤微環(huán)境變化。“藥物遇到熒光,就能夠表達(dá)出來(lái)。葉綠素是一面鏡子能夠找出來(lái)它?!?/p>
基于葉綠素的治療及成像功能
這項(xiàng)研究持續(xù)了三年,周民說(shuō)最早關(guān)注到微藻是源于一次海洋學(xué)院會(huì)議,和藻類(lèi)研究的朋友聊天時(shí)受到的啟發(fā)。面對(duì)未來(lái)的應(yīng)用前景,周民說(shuō):“該微納泳體本質(zhì)作為天然生物能夠在體內(nèi)得到有效降解,為生物雜化材料應(yīng)用在靶向遞送和體內(nèi)生物醫(yī)學(xué)中提供了轉(zhuǎn)化前景。”
研究工作得到了浙江大學(xué)眼科中心、浙江大學(xué)交叉學(xué)科項(xiàng)目、浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)惡性腫瘤預(yù)警與干預(yù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等的大力支持,該研究也得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目資助。