哈工大科學家研製可向藥物精準釋放靶向膠質瘤的微納機器人

「此前,還房貸等因素是我不斷向前的動力,在入選《麻省理工科技評論》『35 歲以下科技創新 35 人』中國區榜單後,我收到很多患者及家屬的來信,因此我希望遊動微納米機器人能挽救更多生命,甚至有患者說如果無法治癒他們,用他們的身體作為人體實驗材料也可以,只要能為後人的治療提供希望,這給我很大的使命感。因此我要繼續集中精力不斷突破、回饋社會,也不負 TR35 中國榜單的責任。」

談及最近剛發表的論文成果,2019 年 「35 歲以下科技創新 35 人」 獲得者、哈爾濱工業大學教授吳志光告訴 DeepTech。

哈工大科學家研製可向藥物精準釋放靶向膠質瘤的微納機器人

圖 | 吳志光(來源:受訪者)

3 月 24 日,由哈工大微納米技術研究中心博士生導師賀強、和吳志光擔任共同通訊作者、該校 2016 級博士生張紅玥擔任第一作者的論文,以《雙響應生物雜化中性粒細胞機器人用於主動靶向遞送》(Dual-responsive biohybrid
neutrobots for active target delivery)為題在線發表於《科學機器人》(Science Robotics)上,本次研究首次實現了遊動微納米機器人治療腦膠質瘤。

哈工大科學家研製可向藥物精準釋放靶向膠質瘤的微納機器人

圖 | 相關論文(來源:Science Robotics)

研究中,吳志光研發出一款遊動微米機器人,其組成主要包含天然中性粒細胞、大腸桿菌細菌膜、藥物以及磁性材料的水納米水凝膠,整體結構呈現層疊狀。因其具有額外的自推進遊動能力,因此可把藥物主動遊動到腦膠質瘤區域。

哈工大科學家研製可向藥物精準釋放靶向膠質瘤的微納機器人

圖 | 微米機器人(來源:受訪者)

「這個故事可能有點長」

關於機器人結構的由來,吳志光說 「這個故事可能有點長」。

常規的藥物遞送如打針、或吃藥,都是藥物分子、或載體在血液等流體中擴散進行的,這些藥物分子或載體隨血流等生物流體的擴散,存在著無法控制自己順利到達病患區域的問題。

而只有流到病患區域,才有一定機會與病患細胞、或組織發生反應並進行治療,因此這種遞送方法非常被動。

自 2004 年起,業內就已發展出多種化學和外物理場(光電磁熱等)驅動的遊動微納米機器人,這些機器人可在水中進行高效遊動,但是人體體內環境非常複雜不僅僅是水,尤其人體內有多種生物屏障,這些生物屏障可以保護人體免遭外源細菌和病毒的侵入,但也阻礙著機器人向病患區域的藥物遞送。

早期的遊動微納米機器人,基本都是基於微機電系統(MEMs)等構件,自身材料主要由金屬、金屬氧化物以及人造聚合物構成。

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圖 | 體內雙反應中性機器人的活性療法示意圖(來源:Science Robotics)

可以想像,這樣的微納機器人進入體內後,首先它不能降解,這無疑會增加很大的危險性;其次在於它們是人體外源物質,一旦進入體內就會激發免疫系統,免疫細胞會去攻擊它們,因此生物相容性比較差,這樣就是出師未捷身先死,還沒來得及開展生物醫學工作,就已經被人體免疫系統幹掉。

為解決上述問題,他想到了天然細胞。一直以來,吳志光團隊都在研究基於天然細胞的遊動微納米機器人,之前他曾開發出基於紅細胞的機器人,後來因為想利用其它細胞的生物能力,他就想到了中性粒細胞。

據悉,中性粒細胞是一種免疫細胞,它能自發地運動到發生炎症的地方,還具備穿越血腦屏障等功能。

一開始,他的想法是製備一些載藥的磁性粒子,然後讓中性粒細胞吞噬進去,結果發現外源磁場難以驅動遊動機器人,主要是因為磁性粒子吞噬量太少,以至於磁性太弱。

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圖 | 機器人的治療示意過程(來源:受訪者)

研發微納尺寸機器人,首先要解決的是驅動問題,許多宏觀世界的驅動方法在微觀世界里卻難以實現。他曾表示:「比如你躺在浴缸里,感覺浴缸里都是水。如果縮小成納米尺度,你身邊就不是水,而是一種非常濃的糖漿,所以你無法打破時間對稱性的去實現運動。」

事實上,自然界有很多微納米尺度的物體都能實現遊動,比如分子馬達、生物馬達、細菌、精子等,它們可通過在擺動過程中、產生的不對稱區域流體場,來實現向前運動。

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圖 | 遊動的細菌(來源:Pixabay)

基於上述原理,吳志光採用化學方法,將原子組裝成微納米的結構,在化學場、外光場和磁場下實現了可控遊動,甚至可以引導它們遊動到目標細胞。

研究中,他想到中性粒細胞喜歡吞噬細菌等外源物質,所以就在磁性載藥粒子表面覆蓋了一層大腸桿菌細菌膜,從而讓這種粒子偽裝成大腸桿菌,這樣中性細胞就會提高對磁性載藥粒子的吞噬量,不僅能實現在外源磁場下的驅動,還能維持藥物在中性粒細胞內的穩定,防止藥物在到達膠質瘤之前被泄露。

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圖 | 中子機器人的可控磁致動(來源:Science Robotics)

此外,本次研究還首次實現了遊動微納機器人對膠質瘤的主動遞送,Science Robotics 也發表同期焦點文章介紹了本次成果。

膠質母細胞瘤(GBM)是最難有效治療的癌症之一,中國的發病率及死亡人數均占全球首位,主要原因在於缺乏精準療法,而且由於血腦屏障、和血腫瘤屏障的存在,進入顱內腫瘤部位的治療途徑非常有限。

如何讓藥物突破血腦屏障、實現藥物的主動靶向遞送、提高藥物對膠質瘤的療效,也成為膠質瘤醫療領域長久以來的瓶頸難題。

針對該難題,該團隊開發了上述基於體內免疫細胞的遊動微納米機器人。

該機器人可有效穩定地攜帶紫杉醇等抗癌藥物,依靠自主研發的控制系統,可將機器人引導到腦部區域。抵達腦膠質瘤區域的機器人,能自主感知病原信號、並穿越血腦屏障後遊動到病患位點,最終將藥物精準地釋放到病患處,從而顯著提高藥物靶向效率。

一言以蔽之,本次成果是確立基於免疫細胞的遊動微納米機器人、可作為潛在腦膠質瘤精準療法的標誌性研究。

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圖 | 雙反應中性機器人的製備和表征(來源:Science Robotics)

十多年研究成果集大成,高科技手段實現納米級別組裝

組裝納米級別的機器人,對於普通人來說簡直不敢想像,這要歸功於吳志光的博士研究生導師賀強。自吳志光博士畢業後,他就一直在賀強團隊工作。

2010 年,賀強建立了中國第一個遊動微納米機器人研究團隊。在本次項目中,吳志光使用了化學可控組裝技術、細菌膜偽裝技術、細胞雜化技術、外源勻強旋轉磁場控制系統等技術,而這也是他們十多年來研究成果的大集成。

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圖 | 中性機器人向術後神經膠質瘤的主動輸送(來源:Science Robotics)

不過,吳志光也表示,醫療納米機器人目前尚處於研發試驗階段,還不能進入臨床實用,許多配套技術有待開發完善。

目前,遊動微納米機器人集群在活體動物內的成像就還是很困難,第一是因為機器人尺寸過小,低於臨床醫療成像技術解析度;第二是機器人與生物組織在生物影響下的對比度不夠大。

他認為本次機器人還有更高的提升空間,未來他們將開展更多的優化參數研究,以便提高療效。

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圖 | 體外將中性粒細胞主動遞送至神經膠質瘤細胞(來源:Science Robotics)

美國未來學家、谷歌工程總監雷・庫茲韋爾曾預言說,「醫療納米機器人未來將會把人腦和雲腦 (雲計算系統) 連接起來,2030 年納米機器人就將定居在人體內,成為人機融合的一部分」。

對此吳志光評價稱,2030 年達到這樣的水平貌似還是有點難,2030s 以內勉強有戲。但他本人希望有一天能夠構建出遊動微納米機器人的人造免疫系統,很多疾病如癌症、HIV 等,較大程度上是人體免疫系統與疾病侵襲之間失衡導致的。

如果能在人體內構建遊動微納米機器人集群,這些微納米機器人就可在人體內隨意遊走、並進行實時控制治療疾病,屆時癌症、HIV 等疾病就能像感冒一樣可被輕易治療。

哈工大科學家研製可向藥物精準釋放靶向膠質瘤的微納機器人

圖 | 中性機器人的雙響應血管內運動(來源:Science Robotics)

目前,吳志光已經開展了針對具體疾病如膠質瘤的治療研究。下一步他將開展更多的臨床前試驗研究,比如豬和兔子等更大型的動物,為以後臨床試驗做準備。

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圖 | 微納米機器人在醫療領域的應用最具期待(來源:受訪者)

未來他還將繼續開發遊動微納米機器人的研究。概括來說,遊動微納米機器人不僅針對膠質瘤,更是一個腦部治療平台。在不久的將來,遊動微納米機器人將能運輸更多診療藥物,治療範圍也將拓展到癲癇、中風偏癱等其他腦部疾病。

來源:kknews哈工大科學家研製可向藥物精準釋放靶向膠質瘤的微納機器人