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。