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專訪|哈工大團隊詳解微納機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首次實現(xiàn)對腦膠質(zhì)瘤的主動靶向治療
膠質(zhì)母細胞瘤(GBM)是顱內(nèi)最常見的惡性原發(fā)腫瘤,也是最難有效治療的癌癥之一,患者總體生存期短,長期生存者罕見。在全球范圍內(nèi),中國的膠質(zhì)母細胞瘤發(fā)病率及死亡人數(shù)均占首位,重要原因之一是缺乏精準療法,而且由于血腦屏障和血腫瘤屏障的存在,進入顱內(nèi)腫瘤部位的治療途徑也有限。
賀強等人提到,如何讓藥物突破血腦屏障,實現(xiàn)藥物的主動靶向遞送,提高藥物對膠質(zhì)瘤的療效,成為膠質(zhì)瘤醫(yī)療領域長久以來的瓶頸難題。“針對此瓶頸問題,我們開發(fā)了這種一種游動微納米機器人(Neutrobot)?!?
實際上,在過去的十幾年里,科學家在將各種生物細胞(如精子和血細胞)和微生物(如細菌和藻類)與合成的微觀結構相結合方面取得了顯著的進展。Hongsoo Choi等人提到,細胞和微生物在本質(zhì)上通常具有獨特的特性,如生物相容性、生物降解性和可變形性,這些特性可以用來增強微型機器人在體內(nèi)的應用。
其中,白細胞中的一種,即嗜中性粒細胞,是免疫系統(tǒng)中的重要組成部分,已知能夠穿過生物屏障,同時不觸發(fā)科學家們不希望看到的免疫反應。此外,經(jīng)過上億年的進化,嗜中性粒細胞發(fā)展出對炎癥因子的趨向能力。賀強等人指出,其可沿著炎癥因子的梯度游動最終尋找到病患位置。
雙響應生物雜化中性粒細胞機器人的制備與表征。
“因此我們設想如果我們能夠用天然中性粒細胞做成一種游動微納米機器人,那么這種微米機器人能夠躲避免疫系統(tǒng)的攻擊,并且自動游動到病患區(qū)域了?!睋?jù)介紹,哈工大研究團隊自2016年開始,即針對如何實現(xiàn)中性粒細胞雜化的游動微米機器人進行了大量嘗試。最終設計出一種可高效裝載多種藥物,并且兼具外源磁場控制與沿炎癥因子趨向運動的中性粒細胞機器人。
可控磁驅(qū)動的中性粒細胞機器人。
賀強介紹,這種游動微納米機器人通過中性粒細胞吞噬大腸桿菌膜包裹的磁性載藥水凝膠制備而成,可有效且穩(wěn)定地攜帶紫杉醇等抗癌藥物。依靠自研發(fā)的外源磁場控制系統(tǒng),可將游動微納米機器人引導到腦部區(qū)域,抵達腦部區(qū)域的機器人可根據(jù)腦內(nèi)病原信號自動游動到病患位點,在腦內(nèi)微環(huán)境的作用下將藥物精準地釋放到病患處。
趨化因子梯度上下中性粒細胞機器人趨化動力學。
Hongsoo Choi等人評價道,該研究中的磁場以非侵入性的方式安全地穿透生物組織,使微型機器人能夠在體內(nèi)進行主動控制。
值得注意的是,該研究中的大腸桿菌膜相當于給磁性載藥水凝膠披上了“偽裝”外衣,從而提高中性細胞對磁性載藥粒子的吞噬量,實現(xiàn)了在外源磁場下的驅(qū)動。該策略還提高了該游動微納米機器人的生物相容性,也防止了磁性納米凝膠中所載藥物的泄漏。
“這些研究結果確立了游動微納米機器人作為一種潛在的腦滲透精準療法,用于系統(tǒng)性治療膠質(zhì)瘤?!辟R強同時強調(diào),這種游動微納米機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器人運輸更多診療藥物,治療范圍拓展到癲癇、中風偏癱等其他腦部疾病?!?
在這項最新的研究中,賀強等人還進行了相關的活體動物膠質(zhì)瘤治療研究。他們將中性粒細胞機器人注射到小鼠體內(nèi),通過外源磁場的控制引導以及光學通斷層掃描,可以操縱中性粒細胞微機器人富集到腦部,到達腦部的中性粒細胞機器人依靠其趨向功能,沿膠質(zhì)瘤釋放出的炎癥因子穿越血腦屏障,最終抵達膠質(zhì)瘤病患區(qū)域并將藥物釋放。
研究結果顯示,經(jīng)過中性粒細胞治療的膠質(zhì)瘤小鼠可延長其存活周期一倍以上,這為以后納米機器人的靶向藥物運輸提供了研究基礎。這也是首次實現(xiàn)游動微納米機器人對腦膠質(zhì)瘤的主動靶向治療。
中性粒細胞微機器人向術后膠質(zhì)瘤主動遞送。
完全轉(zhuǎn)化尚有一段距離
醫(yī)療微納機器人臨床應用處于什么階段?賀強對澎湃新聞記者表示,經(jīng)過十幾年游動微納米機器人的研究,目前它在生物醫(yī)療領域研究已經(jīng)達到了一個相對比較高的水平,攻克了很多挑戰(zhàn)問題。
“我們的這項研究已經(jīng)實現(xiàn)針對膠質(zhì)瘤在活體動物內(nèi)的主動藥物遞送,并且取得了比較良好的效果,但距離完全轉(zhuǎn)化仍然還有一些問題?!眳侵竟庋a充道,例如,游動微納米機器人集群在活體動物內(nèi)的成像還是不容易,“第一,游動微納米機器人尺寸過小,低于臨床醫(yī)療成像技術分辨率;第二,游動微納米機器人與生物組織在生物影響下的對比度不夠大?!?
“當然,其實最大的問題還是缺錢和人,希望有更多的人才參與和涌入到這項研究中?!眳侵竟馓寡?。
Hongsoo Choi等人在文章中也同樣指出,通過神經(jīng)機器人或微型機器人實現(xiàn)從實驗室到臨床的靶向藥物傳遞仍有一段路要走。他們提到,目前的體內(nèi)熒光和磁共振成像系統(tǒng)由于有限的時空分辨率和深度分辨率,均無法提供關于游動微納米機器人的位置或到目標位置的導航路徑的實時信息。
Hongsoo Choi等人認為,從臨床實踐的角度來看,微機器人的實時可視化和導航路徑是體內(nèi)成功靶向藥物治療的必要條件。此外,還需要繼續(xù)努力開發(fā)具有大工作空間的磁控制系統(tǒng),該系統(tǒng)可以容納人體尺度的物體,并產(chǎn)生足夠強的旋轉(zhuǎn)磁場,用于微型機器人的磁驅(qū)動。
“我們希望這些目標將在不久的將來被研究人員實現(xiàn)?!盚ongsoo Choi等人表示。
賀強等人也致力于將該項研究最終推向臨床。“下一步將開展更深層次的研究,例如游動微納米機器人趨向集群運動的特征、機理與調(diào)控方法,游動微納米機器人在活體內(nèi)集群運動控制研究。”賀強表示。
在臨床轉(zhuǎn)化之前,他們還將在更多動物模型上驗證該技術應用的潛力。
論文鏈接:https://robotics.sciencemag.org/content/6/52/eaaz9519
(澎湃新聞首席記者 賀梨萍)
- 原標題:專訪|哈工大團隊詳解微納機器人如何首次主動靶向腦膠質(zhì)瘤
- 責任編輯: 周毅 
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