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專訪|哈工大團(tuán)隊詳解微納機(jī)器人如何首次主動靶向治療腦膠質(zhì)瘤
最后更新: 2021-05-07 09:20:14“常規(guī)的藥物遞送手段,比如打針或者吃藥等方法,都是藥物分子或藥物載體在血液或其他生物流體中擴(kuò)散完成的,這會導(dǎo)致藥物在病患區(qū)域的有效劑量低,而且毒副作用大?!苯?,哈爾濱工業(yè)大學(xué)微納米技術(shù)研究中心賀強(qiáng)與吳志光教授在接受澎湃新聞記者專訪時表示,為解決上述問題,他們致力于開發(fā)能夠進(jìn)行自主運(yùn)動的游動微納米機(jī)器人。
賀強(qiáng)率領(lǐng)的研究團(tuán)隊近期在《科學(xué)機(jī)器人》(Science Robotics)上在線發(fā)表了一項(xiàng)在微納機(jī)器人領(lǐng)域備受關(guān)注的研究,該研究題為“雙響應(yīng)生物雜化中性粒細(xì)胞機(jī)器人用于主動靶向遞送”(Dual-responsive biohybrid neutrobots for active target delivery),他們首次實(shí)現(xiàn)了游動微納米機(jī)器人對腦膠質(zhì)瘤的主動靶向治療。
賀強(qiáng)與吳志光為論文共同通訊作者,哈工大2016級博士生張紅玥為論文第一作者。該研究受到國家自然科學(xué)基金和黑龍江省自然科學(xué)優(yōu)秀青年基金等項(xiàng)目資助。
賀強(qiáng)于2010年加入哈爾濱工業(yè)大學(xué)微納米技術(shù)研究中心,組建了國內(nèi)首個游動納米機(jī)器人研究團(tuán)隊。2011 年入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計劃,2012 年入選龍江學(xué)者特聘教授。賀強(qiáng)也是吳志光的博士生導(dǎo)師,吳志光在2015年博士畢業(yè)后,一直在賀強(qiáng)團(tuán)隊工作。
吳志光長期致力于面向主動遞送的游動微納米機(jī)器人研究,曾作為洪堡學(xué)者與博士后赴德國馬普智能系統(tǒng)研究所與美國加州理工學(xué)院進(jìn)行研究工作,2019年獲聘哈工大青年拔尖教授。其曾入選2019年麻省理工科技評論“35位35歲以下科技創(chuàng)新人才”(MIT TR35)中國榜單,是目前微納機(jī)器人研究領(lǐng)域國內(nèi)單位唯一入選者。當(dāng)時入選理由為:他打造的微納機(jī)器人,可穿越多道生物屏障將藥物精準(zhǔn)送達(dá)病患處。
“游動微納米機(jī)器人因其具有額外的自推進(jìn)游動能力,可以主動游動把藥物遞送到病患區(qū)域。”賀強(qiáng)表示,這種游動微納米機(jī)器人不僅只是針對膠質(zhì)瘤,更是一個腦部治療平臺,“在不久的將來會讓游動微納米機(jī)器人運(yùn)輸更多診療藥物,治療范圍拓展到癲癇、中風(fēng)偏癱等其他腦部疾病?!?
《科學(xué)機(jī)器人》還發(fā)表了同期焦點(diǎn)文章介紹該成果。韓國大邱慶北科學(xué)技術(shù)院(DGIST)、韓國大邱慶北科學(xué)技術(shù)院-瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(DGIST-ETH)微型機(jī)器人研究中心的Hongsoo Choi教授等人在撰文中評價道,賀強(qiáng)教授研究團(tuán)隊的工作在體內(nèi)克服了生物屏障實(shí)現(xiàn)靶向遞送治療藥物,“可視作微型機(jī)器人概念的一個有價值的證明?!?
Hongsoo Choi等人同時強(qiáng)調(diào),“通過神經(jīng)機(jī)器人或微型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室到臨床的靶向藥物傳遞仍有一段路要走?!辟R強(qiáng)也對澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者表示,下一步將開展更深層次的研究,例如游動微納米機(jī)器人趨向集群運(yùn)動的特征、機(jī)理與調(diào)控方法,游動微納米機(jī)器人在活體內(nèi)集群運(yùn)動控制研究。在技術(shù)應(yīng)用方面,則會進(jìn)行更多活體動物研究,例如豬等。
“希望在接下來的幾年里完成游動微納米機(jī)器人治療膠質(zhì)瘤的技術(shù)轉(zhuǎn)化,為社會做出貢獻(xiàn)?!辟R強(qiáng)表示。
雙響應(yīng)生物雜化中性粒細(xì)胞機(jī)器人體內(nèi)主動治療原理圖。
穿越血腦屏障的微納機(jī)器人
常規(guī)的藥物遞送方式例如口服或注射主要依靠藥物分子或載體血液循環(huán)運(yùn)輸完成,這種被動擴(kuò)散方法通常受到多重生物屏障的阻礙。這不但導(dǎo)致有效劑量嚴(yán)重不足,同時也容易引發(fā)全身性的毒副作用,難以完成精準(zhǔn)藥物遞送的需求。
此前有研究對近30年來的藥物遞送方式進(jìn)行了統(tǒng)計。結(jié)果顯示,遞送約12個小時后,最高的遞送效率還不到1%。因此,新型主動藥物遞送方式既必要又重要。
那么,能不能開發(fā)出主動的游動納米機(jī)器人,裝載藥物在人體內(nèi)游走,將藥物遞送給病患區(qū)域內(nèi)來治療疾???實(shí)際上,早在上世紀(jì)60年代的電影里,即有醫(yī)療工作者被縮小到微納米尺寸,然后再被注射到一位科學(xué)家體內(nèi),直接游到病患區(qū)進(jìn)行治療。
這樣的故事在本世紀(jì)初開始接近現(xiàn)實(shí)。賀強(qiáng)對澎湃新聞記者介紹道,自2004年起,科學(xué)家通過模仿細(xì)菌和精子等天然微生物以及生物分子馬達(dá)的方法,設(shè)計并構(gòu)筑出多種依靠化學(xué)、光、磁以及超聲驅(qū)動的游動微納米機(jī)器人。這些微納米機(jī)器人不但可以在水或其他生物流體中進(jìn)行高效游動,并且可借助化學(xué)、光、磁等方式來控制它們的運(yùn)動行為,使它們按照人們的意愿抵達(dá)指定的位置。
然而,面對實(shí)際生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用,游動微納機(jī)器人在生物相容性、生物降解性、復(fù)雜生物環(huán)境內(nèi)的控制等方面仍然面臨著挑戰(zhàn)。例如游動微納米機(jī)器人因其外源性質(zhì),在進(jìn)入體內(nèi)后會受到免疫系統(tǒng)的攻擊。更重要的是,這些游動微納米機(jī)器人無法在體內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中精確地尋找到炎癥位點(diǎn)并且難以突破諸如血腦屏障等生物屏障。
“我們知道,人體內(nèi)環(huán)境不僅僅是水,它是非常復(fù)雜的,尤其是人體內(nèi)有多種生物屏障,這些生物屏障保護(hù)人體,防止外源的細(xì)菌和病毒侵入,但也阻礙了游動微納米機(jī)器人向病患區(qū)域的遞送?!?
吳志光以眼底視網(wǎng)膜舉例,即存在血-房水屏障、血-視網(wǎng)膜屏障、玻璃體屏障等,“一直以來科學(xué)家想設(shè)計游動微納米機(jī)器人來突破生物屏障或者生物組織,結(jié)果發(fā)現(xiàn),盡管以前的游動微納米機(jī)器人可以在水中游動,但是在生物屏障或生物組織中還是無法成功?!?
吳志光對澎湃新聞進(jìn)一步解釋道,造成游動微納米機(jī)器人無法突破生物屏障的主要難點(diǎn)在于生物屏障微觀三維網(wǎng)格的空間阻礙以及生物大分子對游動微納機(jī)器人的黏附作用(分子阻礙)。
“對于這兩個問題,我們一一解決,首先為了解決空間阻礙問題,我們制備了一種頭部尺寸比玻璃體三維網(wǎng)格尺寸還小的結(jié)構(gòu),然后為了防止生物單分子的粘附,我們在游動微納米機(jī)器人涂抹了液態(tài)潤滑層,這種潤滑層是受自然界豬籠草的表面結(jié)構(gòu)啟發(fā)的。”
結(jié)合這兩種方式,吳志光等人首次實(shí)現(xiàn)了游動微納米機(jī)器人在玻璃體中的可控游動。此前的2018年,國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)在線發(fā)表了吳志光等人的研究成果,首次提出了直徑僅為500納米、表面涂覆納米液態(tài)潤滑層的螺旋形磁性納米機(jī)器人。
“上一次解決了眼科生物屏障,這次我們把目標(biāo)聚焦到了另一個非常重要的屏障,也就是血腦屏障(BBB),同時也開展了針對具體疾病的治療研究,就是膠質(zhì)瘤的主動遞送治療中?!眳侵竟獗硎尽?
- 原標(biāo)題:專訪|哈工大團(tuán)隊詳解微納機(jī)器人如何首次主動靶向腦膠質(zhì)瘤
- 責(zé)任編輯: 周毅 
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