用磁场做导航 纳米机器人精准搏杀肿瘤细胞

  团队用靶向给药微纳米机器人在小鼠身上做了实验。他们用了乳腺癌细胞种植的皮下肿瘤模型,对30只小鼠跟踪了30天。团队发现,这种方法对小鼠肿瘤确有靶向杀伤作用,且对周围正常组织的影响最小。

  上映于1966年的科幻电影《神奇旅程》,讲了这么一个故事:为给一名科学家实行高难度血管手术,5名医生被缩小成头发丝大小,置于针筒中,注射进他体内。5人驾驶着“潜艇”,躲过了免疫细胞的攻击,一路乘风破浪,成功完成任务。

  50多年过去,当初的幻想,已经部分成为了现实。微纳米医疗机器人,就被认为是一种颇具前途的智能给药平台,目前被广泛用于肿瘤的靶向治疗。

  近日,北京航空航天大学机械工程及自动化学院“卓越百人”副教授、博士生导师冯林课题组,研究出了一种新的更为智能的肿瘤靶向机器人。它有了伪装,还有了导航,能够在磁场的驱动下,精准抵达战场,投掷杀伤肿瘤的弹药。

让巨噬细胞吞下纳米药物,变身微纳米机器人

  让纳米机器人装载药物,到达指定地点,定向治疗炎症或清除肿瘤,这是医学纳米技术的终极目标之一。但传统微纳米机器人在人体内的运动,其实靠的是分子之间的结合力,这是一种“被动靶向”,难免脱靶。“就好比我们知道,人群中具有某种特质的两类人可能会碰上。但茫茫人海中你最后碰上的是不是想要的人,其实要打一个问号。”冯林说。

  而且,也如当初那部电影里所展示的,被注射进人体内的纳米机器人,稍有不慎,就会遭到兢兢业业工作的免疫细胞的攻击。

  能不能让这类医疗机器人更为安全且精准地到达要去的地方?

  2016年从日本回国后,冯林就一直思考这个问题。在北航机器人所的支持下,冯林和陈华伟老师合作申请获批了国家重点研发计划—机器人重大项目“靶向给药微纳米机器人”。在一次讨论中,陈华伟问可不可以让活细胞作为载体。这句看似很随意的提问提醒了冯林:直接让活的细胞吞进载药纳米颗粒变身微纳米机器人行不行?

  他们想到了巨噬细胞——这是一种喜欢吞食并处理异物的细胞。

  合适的载体和“伪装”找到了,接下来,就是设计机器人的“导航系统”。

  磁性纳米颗粒可以由磁场来控制,药物释放可以利用红外或者超声波。几乎是从零开始,冯林团队自行设计了复合磁控系统。他们从电子线圈开始设计,一点点调整、摸索技术参数。磁性纳米颗粒进入小鼠体内后,通过这套系统,他们可以在体外对其行走路径进行高精度控制。

  再接下来,就是让磁性纳米颗粒装载药物,并让它在合适地点,通过合适方式,释放药物。

  这款机器人其实设计有许多层。在阿霉素外层,是聚乙二醇,一种具有良好水溶性的高分子化合物;再外一层,是吲哚菁绿,它是药物研究中常用的荧光标记物,帮助科研人员判断机器人所在的位置。最后他们还包裹了一层脂质体,它具有非常高的生物相容性。

  团队还为机器人设计了一个开关——近场红外光。近红外光穿透表层皮肤,磁性纳米颗粒吸收光线,产生热量,会释放出阿霉素。

  如此一来,纳米机器人基本实现“指哪打哪”的效果。

  “接收指令,执行指令,完成任务,在我们做机械的人眼中,具备这些能力的,才是智能的机器人。”冯林说。

  团队用靶向给药微纳米机器人在小鼠身上做了实验。他们用了乳腺癌细胞种植的皮下肿瘤模型,对30只小鼠跟踪了30天。团队发现,这种方法对小鼠肿瘤确有靶向杀伤作用,且对周围正常组织的影响最小。

  9月,纳米科学领域权威期刊《小》(Small)以封面文章的形式报道了课题组的研究成果。

在机械学院,他们建立生物医学实验室

  冯林的团队中,有好几个医学生物专业出身的博士。在他的机械实验室里,还有一块专门区域,用来做生物医学实验。

  所以,你能看到这样一个略显奇特的景象——实验室里,有各类机械模型,有专业级的显微镜,以及小白鼠。

  去采访时,由于已经结束了上一轮的实验,小白鼠所剩不多,正在笼子里踱来踱去,安度余生。

  冯林是“80后”,本科学的电子信息工程,硕士专业是生物机器人,博士留学日本名古屋大学,跟着导师新井史人教授一头扎进了更为微观的世界——微纳米机器人。

  回国后,冯林来到北航,获得北航“卓越百人”,加入了机械学院张德远老师领导的仿生与微纳系统研究所,之后又得到北京市“科技新星”资助。北航提倡“医工结合”,冯林也被聘入了北京市生物医学工程高精尖中心,更深入地进入到医疗机器人领域。

  “不能只是炒概念,说纳米机器人未来能如何如何。”冯林一直存着这个念头,就是要真正把纳米机器人打入体内,真正杀死体内的肿瘤细胞。

  就在不久前,冯林指导的学生团队凭借Medcreate磁悬浮胶囊机器人在第七届中国国际大学生“互联网+”创新创业大赛中获得本科生创意组全国第五名。

  它用到的技术,也是“复合场磁控”。

  这是一款主动可控高速图像传输型胶囊机器人,能对胃部等大体积消化道器官进行全方位无死角视频探查。胶囊机器人可以悬浮运动,无需改变患者体位,就能完成整个胃部的覆盖式检查。

  冯林为学生取得的成绩高兴,但他也知道,要完善各类治疗型的微纳米机器人,还“路漫漫其修远兮”。

  从小鼠到人体,从试验到临床,还需要一步步完善和摸索,这并非坦途。“你要舍得花一辈子的时间。”冯林说。(记者 张盖伦)

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