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专访|哈工大团队详解微纳机器人如何首次主动靶向脑胶质瘤
时间: 2021-05-07 18:48 浏览次数:
惯例的药物投递手法,比方打针或许吃药等办法,都是药物分子或药物载体在血液或其他生物流体中分散完结的,这会导致药物在病患区域的有用剂量低,而且毒副作用大。”近来,......

惯例的药物投递手法,比方打针或许吃药等办法,都是药物分子或药物载体在血液或其他生物流体中分散完结的,这会导致药物在病患区域的有用剂量低,而且毒副作用大。”近来,哈尔滨工业大学微纳米技能研讨中心贺强与吴志光教授在承受汹涌新闻记者专访时表明,为处理上述问题,他们致力于开发能够进行自主运动的游动微纳米机器人。贺强带领的研讨团队近期在《科学机器人》上在线宣布了一项在微纳机器人范畴备受重视的研讨,该研讨题为“双呼应生物杂化中性粒细胞机器人用于自动靶向投递”,他们初次完结了游动微纳米机器人对脑胶质瘤的自动靶向医治。



贺强与吴志光为论文一起通讯作者,哈工大2016级博士生张红玥为论文榜首作者。该研讨遭到国家自然科学基金和黑龙江省自然科学优秀青年基金等项目赞助。


贺强于2010年参加哈尔滨工业大学微纳米技能研讨中心,组建了国内首个游动纳米机器人研讨团队。2011 年当选教育部新世纪优秀人才方案,2012 年当选龙江学者特聘教授。贺强也是吴志光的博士生导师,吴志光在2015年博士结业后,一直在贺强团队作业。


吴志光长时间致力于面向自动投递的游动微纳米机器人研讨,曾作为洪堡学者与博士后赴德国马普智能体系研讨所与美国加州理工学院进行研讨作业,2019年获聘哈工大青年优秀教授。其曾当选2019年麻省理工科技谈论“35位35岁以下科技立异人才”我国榜单,是现在微纳机器人研讨范畴国内单位仅有当选者。其时当选理由为:他打造的微纳机器人,可穿越多道生物屏障将药物精准送达病患处。


“游动微纳米机器人因其具有额定的自推动游动才能,能够自动游动把药物投递到病患区域。”贺强表明,这种游动微纳米机器人不只仅仅针对胶质瘤,更是一个脑部医治渠道,“在不久的将来会让游动微纳米机器人运送更多医治药物,医治规模拓宽到癫痫、中风偏瘫等其他脑部疾病。”


《科学机器人》还宣布了同期焦点文章介绍该作用。韩国大邱庆北科学技能院、韩国大邱庆北科学技能院-瑞士苏黎世联邦理工学院微型机器人研讨中心的Hongsoo Choi教授等人在撰文中点评道,贺强教授研讨团队的作业在体内克服了生物屏障完结靶向投递医治药物,“可视作微型机器人概念的一个有价值的证明。”


Hongsoo Choi等人一起着重,“经过神经机器人或微型机器人完结从实验室到临床的靶向药物传递仍有一段路要走。”贺强也对汹涌新闻记者表明,">www.thepaper.cn)记者表明,



下一步将展开更深层次的研讨,例如游动微纳米机器人趋向集群运动的特征、机理与调控办法,游动微纳米机器人在活体内集群运动操控研讨。在技能使用方面,则会进行更多活体动物研讨,例如猪等。


“期望在接下来的几年里完结游动微纳米机器人医治胶质瘤的技能转化,为社会做出奉献。”贺强表明。双呼应生物杂化中性粒细胞机器人体内自动医治原理图。



双呼应生物杂化中性粒细胞机器人体内自动医治原理图。


兼具外源磁场操控与沿炎症因子趋向运动的游动微纳米机器人打破血脑屏障,终究将药物投递到小鼠病灶。 研讨团队供给


穿越血脑屏障的微纳机器人


惯例的药物投递办法例如口服或打针首要依托药物分子或载体血液循环运送完结,这种被迫分散办法一般遭到多重生物屏障的阻止。这不光导致有用剂量严重不足,一起也简单引发全身性的毒副作用,难以完结精准药物投递的需求。


此前有研讨对近30年来的药物投递办法进行了计算。成果显现,投递约12个小时后,最高的投递功率还不到1%。因而,新式自动药物投递办法既必要又重要。


那么,能不能开宣布自动的游动纳米机器人,装载药物在人体内游走,将药物投递给病患区域内来医治疾病?实践上,早在上世纪60年代的电影里,即有医疗作业者被缩小到微纳米标准,然后再被打针到一位科学家体内,直接游到病患区进行医治。


这样的故事在本世纪初开端挨近实践。贺强对汹涌新闻记者介绍道,自2004年起,科学家经过仿照细菌和精子等天然微生物以及生物分子马达的办法,规划并构筑出多种依托化学、光、磁以及超声驱动的游动微纳米机器人。这些微纳米机器人不光能够在水或其他生物流体中进行高效游动,而且可凭借化学、光、磁等办法来操控它们的运动行为,使它们依照人们的志愿抵达指定的方位。


但是,面临实践生物医学使用,游动微纳机器人在生物相容性、生物降解性、杂乱生物环境内的操控等方面依然面临着应战。例如游动微纳米机器人因其外源性质,在进入体内后会遭到免疫体系的进犯。更重要的是,这些游动微纳米机器人无法在体内杂乱环境中精确地寻找到炎症位点而且难以打破比如血脑屏障等生物屏障。


“咱们知道,人体内环境不只仅是水,它是非常杂乱的,尤其是人体内有多种生物屏障,这些生物屏障维护人体,避免外源的细菌和病毒侵入,但也阻止了游动微纳米机器人向病患区域的投递。”


吴志光以眼底视网膜举例,即存在血-房水屏障、血-视网膜屏障、玻璃体屏障等,“一直以来科学家想规划游动微纳米机器人来打破生物屏障或许生物安排,成果发现,虽然曾经的游动微纳米机器人能够在水中游动,但是在生物屏障或生物安排中仍是无法成功。”


吴志光对汹涌新闻进一步解释道,形成游动微纳米机器人无法打破生物屏障的首要难点在于生物屏障微观三维网格的空间阻止以及生物大分子对游动微纳机器人的黏附作用。


“关于这两个问题,咱们逐个处理,首要为了处理空间阻止问题,咱们制备了一种头部标准比玻璃体三维网格标准还小的结构,然后为了避免生物单分子的粘附,咱们在游动微纳米机器人涂抹了液态光滑层,这种光滑层是受自然界猪笼草的外表结构启示的。”


结合这两种办法,吴志光等人初次完结了游动微纳米机器人在玻璃体中的可控游动。此前的2018年,世界学术期刊《科学发展》在线宣布了吴志光等人的研讨作用,初次提出了直径仅为500纳米、外表涂覆纳米液态光滑层的螺旋形磁性纳米机器人。


“上一次处理了眼科生物屏障,这次咱们把方针聚集到了另一个非常重要的屏障,也便是血脑屏障,一起也展开了针对详细疾病的医治研讨,便是胶质瘤的自动投递医治中。”吴志光表明。


初次完结对脑胶质瘤的自动靶向医治


胶质母细胞瘤是颅内最常见的恶性原发肿瘤,也是最难有用医治的癌症之一,患者整体生计期短,长时间生计者稀有。在全球规模内,我国的胶质母细胞瘤发病率及逝世人数均占首位,重要原因之一是缺少精准疗法,而且因为血脑屏障和血肿瘤屏障的存在,进入颅内肿瘤部位的医治途径也有限。


贺强等人说到,怎么让药物打破血脑屏障,完结药物的自动靶向投递,进步药物对胶质瘤的作用,成为胶质瘤医疗范畴长久以来的瓶颈难题。“针对此瓶颈问题,咱们开发了这种一种游动微纳米机器人。”


实践上,在曩昔的十几年里,科学家在将各种生物细胞和微生物与组成的微观结构相结合方面取得了明显的发展。Hongsoo Choi等人说到,细胞和微生物在本质上一般具有共同的特性,如生物相容性、生物降解性和可变形性,这些特性能够用来增强微型机器人在体内的使用。


其间,白细胞中的一种,即嗜中性粒细胞,是免疫体系中的重要组成部分,已知能够穿过生物屏障,一起不触发科学家们不期望看到的免疫反响。此外,经过上亿年的进化,嗜中性粒细胞发展出对炎症因子的趋向才能。贺强等人指出,其可沿着炎症因子的梯度游动终究寻找到病患方位。双呼应生物杂化中性粒细胞机器人的制备与表征。



双呼应生物杂化中性粒细胞机器人的制备与表征。


“因而咱们想象假如咱们能够用天然中性粒细胞做成一种游动微纳米机器人,那么这种微米机器人能够逃避免疫体系的进犯,而且自动游动到病患区域了。”据介绍,哈工大研讨团队自2016年开端,即针对怎么完结中性粒细胞杂化的游动微米机器人进行了许多测验。终究规划出一种可高效装载多种药物,而且兼具外源磁场操控与沿炎症因子趋向运动的中性粒细胞机器人。可控磁驱动的中性粒细胞机器人。



可控磁驱动的中性粒细胞机器人。


贺强介绍,这种游动微纳米机器人经过中性粒细胞吞噬大肠杆菌膜包裹的磁性载药水凝胶制备而成,可有用且稳定地带着紫杉醇等抗癌药物。依托自研制的外源磁场操控体系,可将游动微纳米机器人引导到脑部区域,抵达脑部区域的机器人可根据脑内病原信号自动游动到病患位点,在脑内微环境的作用下将药物精准地开释到病患处。趋化因子梯度上下中性粒细胞机器人趋化动力学。



趋化因子梯度上下中性粒细胞机器人趋化动力学。


Hongsoo Choi等人点评道,该研讨中的磁场以非侵入性的办法安全地穿透生物安排,使微型机器人能够在体内进行自动操控。


值得注意的是,该研讨中的大肠杆菌膜相当于给磁性载药水凝胶披上了“假装”外衣,然后进步中性细胞对磁性载药粒子的吞噬量,完结了在外源磁场下的驱动。该战略还进步了该游动微纳米机器人的生物相容性,也避免了磁性纳米凝胶中所载药物的走漏。


“这些研讨成果确立了游动微纳米机器人作为一种潜在的脑浸透精准疗法,用于体系性医治胶质瘤。”贺强一起着重,这种游动微纳米机器人不只仅仅针对胶质瘤,更是一个脑部医治渠道,“在不久的将来会让游动微纳米机器人运送更多医治药物,医治规模拓宽到癫痫、中风偏瘫等其他脑部疾病。”


在这项最新的研讨中,贺强等人还进行了相关的活体动物胶质瘤医治研讨。他们将中性粒细胞机器人打针到小鼠体内,经过外源磁场的操控引导以及光学通断层扫描,能够操作中性粒细胞微机器人富集到脑部,抵达脑部的中性粒细胞机器人依托其趋向功用,沿胶质瘤开释出的炎症因子穿越血脑屏障,终究抵达胶质瘤病患区域并将药物开释。


研讨成果显现,经过中性粒细胞医治的胶质瘤小鼠可延长其存活周期一倍以上,这为今后纳米机器人的靶向药物运送供给了研讨根底。这也是初次完结游动微纳米机器人对脑胶质瘤的自动靶向医治。中性粒细胞微机器人向术后胶质瘤自动投递。



中性粒细胞微机器人向术后胶质瘤自动投递。


彻底转化尚有一段间隔


医疗微纳机器人临床使用处于什么阶段?贺强对汹涌新闻记者表明,经过十几年游动微纳米机器人的研讨,现在它在生物医疗范畴研讨现已达到了一个相对比较高的水平,霸占了许多应战问题。


“咱们的这项研讨现已完结针对胶质瘤在活体动物内的自动药物投递,而且取得了比较杰出的作用,但间隔彻底转化依然还有一些问题。”吴志光弥补道,例如,游动微纳米机器人集群在活体动物内的成像仍是不简单,“榜首,游动微纳米机器人标准过小,低于临床医疗成像技能分辨率;第二,游动微纳米机器人与生物安排在生物影响下的对比度不够大。”


“当然,其实最大的问题仍是缺钱和人,期望有更多的人才参加和涌入到这项研讨中。”吴志光坦言。


Hongsoo Choi等人在文章中也相同指出,经过神经机器人或微型机器人完结从实验室到临床的靶向药物传递仍有一段路要走。他们说到,现在的体内荧光和磁共振成像体系因为有限的时空分辨率和深度分辨率,均无法供给关于游动微纳米机器人的方位或到方针方位的导航途径的实时信息。


Hongsoo Choi等人以为,从临床实践的视点来看,微机器人的实时可视化和导航途径是体内成功靶向药物医治的必要条件。此外,还需要继续尽力开发具有大作业空间的磁操控体系,该体系能够包容人体标准的物体,并发生满足强的旋转磁场,用于微型机器人的磁驱动。


“咱们期望这些方针将在不久的将来被研讨人员完结。”Hongsoo Choi等人表明。


贺强等人也致力于将该项研讨终究面向临床。“下一步将展开更深层次的研讨,例如游动微纳米机器人趋向集群运动的特征、机理与调控办法,游动微纳米机器人在活体内集群运动操控研讨。”贺强表明。


在临床转化之前,他们还将在更多动物模型上验证该技能使用的潜力。

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