納米顆粒藥物可以在血液中穿梭,直達(dá)病灶,實現(xiàn)精準(zhǔn)靶向給藥,在治療腫瘤等疾病上潛力巨大。但受到血流阻力和血管壁阻礙,相關(guān)研究一直面臨著藥物輸送困難的問題,現(xiàn)有技術(shù)尚未完全發(fā)揮納米顆粒的最大價值。
因此,如何讓更多的藥物穿過血管,并且在正確的位置聚集,是很多團(tuán)隊的研究重點(diǎn)。
最近,麻省理工學(xué)院(MIT)的工程師們設(shè)計出了一種微型機(jī)器人,由 3D 打印而成,其大小和細(xì)胞類似,整體呈螺旋結(jié)構(gòu),表面涂有鎳鈦雙涂層,可以通過外部磁場控制。
在磁力的幫助下,它們能夠克服血流阻力,穿越血管壁,向腫瘤等病變組織輸送納米顆粒藥物,實現(xiàn)精準(zhǔn)而深入的藥物輸送,效果是普通輸送方法的兩倍。研究團(tuán)隊還嘗試了天然存在的趨磁細(xì)菌,也實現(xiàn)了類似的效果。
圖 | 微型機(jī)器人(左上)和趨磁細(xì)菌(右上)(來源:MIT)
未來,他們將嘗試輸送更大的納米顆粒,還計劃展開動物實驗,進(jìn)一步探索提升藥物輸送效率的方法。
研究團(tuán)隊的負(fù)責(zé)人是麻省理工學(xué)院的 Sangeeta Bhatia 教授和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院助理教授(前麻省理工學(xué)院博士后)Simone Schuerle。研究成果發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》期刊上。
“人造鞭毛”
為了解決藥物輸送困難的問題,研究團(tuán)隊將目光轉(zhuǎn)向了微型磁性機(jī)器人,探索磁場和磁力能否用來提高藥物的傳輸效率。
研究人員首先使用了高分辨率 3D 打印技術(shù),制造出長度約為 36 微米,體積只有細(xì)胞大小的微型機(jī)器人(微米級別),從而保證它能夠穿過血管。
他們借鑒了細(xì)菌的移動機(jī)制,將機(jī)器人的形狀確定為螺旋狀,并稱其為“人造細(xì)菌鞭毛(ABF)”——一些細(xì)菌身上長有數(shù)量不等的鞭狀螺旋形細(xì)絲,被稱為“鞭毛”,可以幫助自身移動。這種螺旋形狀可以幫助機(jī)器人更好地在血液中移動。
最后他們在機(jī)器人的表面涂上了鎳鈦雙涂層,使其具有磁性,能夠通過外部磁場控制。
圖 | 3D 打印的螺旋體,可以在磁場的控制下移動(來源:MIT)
為了測試機(jī)器人能否“掌控”周圍的納米顆粒,研究團(tuán)隊開發(fā)了一種模擬腫瘤周圍血管的微流體系統(tǒng)(模型)。該系統(tǒng)中的血管通道寬度在 50 到 200 微米之間,內(nèi)部覆蓋有凝膠,上面還有不規(guī)則分布的孔洞,用來模擬腫瘤附近的破裂血管。
他們使用磁鐵控制機(jī)器人的行動,使其在通道中旋轉(zhuǎn)和移動。機(jī)器人的移動方向經(jīng)過特殊設(shè)計,正好與液體流動方向相反, 因此兩者形成了對流,機(jī)器人也可以保持在特定位置。隨后,對流會將大小約 200 納米的聚苯乙烯顆粒推向模型中的目標(biāo)組織。
實驗結(jié)果顯示,在微型機(jī)器人的幫助下,納米顆粒滲入組織的深度是沒有幫助時的兩倍,輸送效率大幅提升。
圖 | 在體液流動中保持位置的微型機(jī)器人,其背后是納米級聚苯乙烯顆粒(來源:MIT)
這樣的藥物輸送模式有望與支架結(jié)合。靜止的支架可以成為很好的目標(biāo),適合作為磁場的瞄準(zhǔn)對象,然后用微型機(jī)器人輸送藥物,緩解支架部位出現(xiàn)的發(fā)炎等癥狀。
趨磁細(xì)菌
除了微型機(jī)器人,研究團(tuán)隊還嘗試了另一種辦法:利用磁場操控自然界中存在的趨磁細(xì)菌,用它們輸送藥物顆粒。他們使用的細(xì)菌名為Magnetospirillum magneticum,可以天然生成氧化鐵鏈,用來幫助自身定位和尋找合適的環(huán)境。
如果將這些細(xì)菌放入微流體模型中,再在特定方向上施加旋轉(zhuǎn)磁場,它們就會同步旋轉(zhuǎn)并沿相同方向移動,同時拉扯和帶動周圍的納米顆粒,使其滲入目標(biāo)組織。
結(jié)果顯示,在趨磁細(xì)菌的幫助下,納米顆粒的滲入速度是普通狀態(tài)下的三倍。
圖 | 趨磁細(xì)菌可以帶動周圍的納米顆粒(來源:MIT)
研究人員表示,相比微型機(jī)器人,使用天然細(xì)菌輸送藥物更適用于治療腫瘤等疾病,因為病灶區(qū)域的視覺反饋信息難以獲取。
值得一提的是,實驗之中使用的納米顆粒足以攜帶大量有效藥物或成分,不僅可以針對腫瘤,還可以用于 CRISPR 基因編輯技術(shù),具有很強(qiáng)的拓展性。
未來,研究團(tuán)隊計劃在動物模型上展開實驗,探索兩種方法的可行性,希望有朝一日可以用來幫助治療人類的疾病。
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原文標(biāo)題:MIT團(tuán)隊發(fā)明受磁場操控的微型機(jī)器人,實現(xiàn)更精準(zhǔn)的靶向給藥
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