納米機(jī)器人已在生物醫(yī)學(xué)方面取得巨大進(jìn)步

近來(lái)，合成微納米材料已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面取得了巨大的進(jìn)步。然而，現(xiàn)有的微納米平臺(tái)在深部組織成像和體內(nèi)運(yùn)動(dòng)控制方面仍然不夠優(yōu)秀。近日，加州理工學(xué)院的研究人員發(fā)表了關(guān)于光聲計(jì)算機(jī)斷層掃描(photoacoustic computed tomography，PACT)引導(dǎo)的體內(nèi)腸道微型機(jī)器人的研究，在這兩方面都取得了進(jìn)步。

盡管已有研究證明，各種基于微/納米顆粒的藥物遞送系統(tǒng)都可以在酸性胃環(huán)境中存活并擴(kuò)散到腸道中，但是由于其在腸道內(nèi)停留時(shí)間有限，所以藥物吸收效率仍然低下。

為了提高遞送效率，研究者已經(jīng)探索了大量基于被動(dòng)擴(kuò)散的目標(biāo)定位策略。但它們存在精度低、尺寸限制和特殊表面化學(xué)的問(wèn)題。迫切需要這樣一種系統(tǒng)：能通過(guò)精確控制微型藥物輸送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的藥物遞送，且具有較長(zhǎng)的滯留時(shí)間和可持續(xù)的釋藥特征。由于缺乏成像引導(dǎo)控制，目前還沒(méi)有關(guān)于使用微電機(jī)在體內(nèi)進(jìn)行精確靶向遞送的報(bào)道。另外，藥物遞送系統(tǒng)必須具有生物降解性和生物相容性，在其完成任務(wù)后能夠由身體安全清除。

如今，加州理工學(xué)院的研究人員做了光聲計(jì)算機(jī)斷層掃描(photoacoustic computed tomography，PACT)引導(dǎo)的體內(nèi)腸道微型機(jī)器人的研究。他們的初衷，是治療消化道腫瘤。將微型機(jī)器人包裹在微膠囊中，在胃中可以保持穩(wěn)定，并且一經(jīng)釋放，微型機(jī)器人就可以在體內(nèi)各種生物流體中表現(xiàn)出有效的推進(jìn)力。此外，PACT在體內(nèi)可以實(shí)時(shí)顯示微電機(jī)膠囊向腸道內(nèi)靶區(qū)域的遷移。到達(dá)靶區(qū)域后，膠囊在近紅外光的照射下崩解，釋放出馱著“貨物”的微電機(jī)。微電機(jī)的強(qiáng)力推進(jìn)有效延長(zhǎng)了腸內(nèi)滯留時(shí)間。新開(kāi)發(fā)的微型機(jī)器人系統(tǒng)與PACT的集成，使微電機(jī)在體內(nèi)能夠進(jìn)行深部組織的成像和精確控制，具有實(shí)際的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用價(jià)值，比如藥物輸送。

具體來(lái)講，微型機(jī)器人主體為微型鎂金屬球(直徑約20um)，表面鍍了一層薄薄的金屬金和聚對(duì)二甲苯(可以抵抗消化)的。金屬球表面留有圓形部分未被覆蓋，這部分裸露的金屬鎂與消化道中的流體反應(yīng)，產(chǎn)生小氣泡。氣泡流像噴射器一樣向前推動(dòng)球體，直到它與附近的組織碰撞。

如果僅僅是這樣的一個(gè)小機(jī)器人，則只能稱(chēng)其為“光桿司令”。它被創(chuàng)造出來(lái)的使命，是對(duì)抗消化道的腫瘤組織。小機(jī)器人需要將士——藥物為它上陣殺敵。怎么帶領(lǐng)藥物這個(gè)能兵強(qiáng)將呢?

首先，研究者將一層藥物夾在單個(gè)微金屬球和聚對(duì)二甲苯涂層之間。接著，為了保護(hù)微型機(jī)器人免受胃中惡劣環(huán)境的影響，它們被包裹在由石蠟制成的微膠囊中。

目前，光學(xué)成像由于其高時(shí)空分辨率和分子對(duì)比而被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。然而，將傳統(tǒng)光學(xué)成像應(yīng)用于深部組織，受到了強(qiáng)光學(xué)散射的阻礙，這抑制了超出光擴(kuò)散極限的高分辨率成像(深度約1至2mm)。幸運(yùn)的是，光聲斷層掃描(PAT)探測(cè)光子引起的超聲波，在深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)光學(xué)擴(kuò)散極限的情況下，實(shí)現(xiàn)了高分辨率成像。在PAT中，由組織內(nèi)的發(fā)色團(tuán)吸收的光子能量被轉(zhuǎn)換為聲波，隨后被檢測(cè)以產(chǎn)生具有光學(xué)對(duì)比度的高分辨率斷層圖像。利用軟組織中可忽略不計(jì)的聲散射，PAT在深處獲得了極好的空間分辨率。作為PAT的進(jìn)階版，PA計(jì)算機(jī)斷層掃描(PACT)有著高時(shí)空分辨率、深度穿透(體內(nèi)48 mm組織穿透)。憑借這些優(yōu)勢(shì)，PACT有望在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)微電機(jī)的實(shí)時(shí)導(dǎo)航，適用于廣泛的應(yīng)用，特別是藥物輸送。

現(xiàn)在，小機(jī)器人已經(jīng)可以攜帶藥物，但仍缺乏將它們運(yùn)送到所需位置的關(guān)鍵能力。為此，研究人員使用了光聲計(jì)算機(jī)斷層掃描(PACT)。紅外光在組織中擴(kuò)散，被紅細(xì)胞中攜帶氧的血紅蛋白分子吸收，導(dǎo)致這些分子超聲振動(dòng)。那些超聲波振動(dòng)由壓在皮膚上的傳感器拾取。來(lái)自這些傳感器的數(shù)據(jù)，將被用于創(chuàng)建身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像。

研究者已經(jīng)證明PACT可用于鑒別乳腺腫瘤，甚至個(gè)別癌細(xì)胞。關(guān)于微型機(jī)器人，該技術(shù)強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)：首先是成像。研究人員可以通過(guò)PACT圖像在消化道中跟蹤微型機(jī)器人的位置并找到腫瘤。一旦微型機(jī)器人到達(dá)腫瘤附近，就可以通過(guò)高功率連續(xù)近紅外激光束激活它們。微型機(jī)器人在紅外光照射下會(huì)被短暫地加熱，使周?chē)南災(zāi)z囊熔化，并將其暴露在消化液中。此時(shí)微型機(jī)器人的“泡泡噴射器”激活，微型機(jī)器人開(kāi)始聚集。接著，它們將附著在腫瘤表面，并釋放藥物。此外研究者表示，因?yàn)槲⑿蜋C(jī)器人是由鎂制成的，所以它們具有生物相容性和可生物降解性。

動(dòng)物模型中的測(cè)試顯示，微型機(jī)器人的表現(xiàn)與預(yù)期一致。接下來(lái)，研究人員計(jì)劃評(píng)估這一系統(tǒng)的治療效果。此外，他們希望以后可以開(kāi)發(fā)出可以在身體其他部位運(yùn)行的微型機(jī)器人，以及不同類(lèi)型的推進(jìn)系統(tǒng)。