納米顆粒藥物可以在血液中穿梭，直達(dá)病灶，實(shí)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(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)尚未完全發(fā)揮納米顆粒的最大價(jià)值。

因此，如何讓更多的藥物穿過(guò)血管，并且在正確的位置聚集，是很多團(tuán)隊(duì)的研究重點(diǎn)。

最近，麻省理工學(xué)院(MIT)的工程師們?cè)O(shè)計(jì)出了一種微型機(jī)器人，由 3D 打印而成，其大小和細(xì)胞類(lèi)似，整體呈螺旋結(jié)構(gòu)，表面涂有鎳鈦雙涂層，可以通過(guò)外部磁場(chǎng)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(shí)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(duì)還嘗試了天然存在的趨磁細(xì)菌，也實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似的效果。

圖 | 微型機(jī)器人(左上)和趨磁細(xì)菌(右上)(來(lái)源：MIT)

未來(lái)，他們將嘗試輸送更大的納米顆粒，還計(jì)劃展開(kāi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步探索提升藥物輸送效率的方法。

研究團(tuán)隊(duì)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(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)將目光轉(zhuǎn)向了微型磁性機(jī)器人，探索磁場(chǎng)和磁力能否用來(lái)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(zhǎng)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(jí)別)，從而保證它能夠穿過(guò)血管。

他們借鑒了細(xì)菌的移動(dòng)機(jī)制，將機(jī)器人的形狀確定為螺旋狀，并稱(chēng)其為“人造細(xì)菌鞭毛(ABF)”——一些細(xì)菌身上長(zhǎng)有數(shù)量不等的鞭狀螺旋形細(xì)絲，被稱(chēng)為“鞭毛”，可以幫助自身移動(dòng)。這種螺旋形狀可以幫助機(jī)器人更好地在血液中移動(dòng)。

最后他們?cè)跈C(jī)器人的表面涂上了鎳鈦雙涂層，使其具有磁性，能夠通過(guò)外部磁場(chǎng)控制。

圖 | 3D 打印的螺旋體，可以在磁場(chǎng)的控制下移動(dòng)(來(lái)源：MIT)

為了測(cè)試機(jī)器人能否“掌控”周?chē)募{米顆粒，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種模擬腫瘤周?chē)艿奈⒘黧w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(lái)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(dòng)，使其在通道中旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)。機(jī)器人的移動(dòng)方向經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，正好與液體流動(dòng)方向相反， 因此兩者形成了對(duì)流，機(jī)器人也可以保持在特定位置。隨后，對(duì)流會(huì)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(shí)驗(yàn)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(méi)有幫助時(shí)的兩倍，輸送效率大幅提升。

圖 | 在體液流動(dòng)中保持位置的微型機(jī)器人，其背后是納米級(jí)聚苯乙烯顆粒(來(lái)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(chǎng)的瞄準(zhǔn)對(duì)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(duì)還嘗試了另一種辦法：利用磁場(chǎng)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(lái)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(chǎng)，它們就會(huì)同步旋轉(zhuǎn)并沿相同方向移動(dòng)，同時(shí)拉扯和帶動(dòng)周?chē)募{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(dòng)周?chē)募{米顆粒(來(lái)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?yàn)椴≡顓^(qū)域的視覺(jué)反饋信息難以獲取。

值得一提的是，實(shí)驗(yàn)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(duì)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(lái)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在動(dòng)物模型上展開(kāi)實(shí)驗(yàn)，探索兩種方法的可行性，希望有朝一日可以用來(lái)幫助治療人類(lèi)的疾病。

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