微型机器人或将奋战抗肿瘤前线

近来,合成微纳米材料已经在生物医学应用方面取得了巨大的进步。然而,现有的微纳米平台在深部组织成像和体内运动控制方面仍然不够优秀。近日,加州理工学院的研究人员发表了关于光声计算机断层扫描(photoacoustic computed tomographyPACT)引导的体内肠道微型机器人的研究,在这两方面都取得了进步。

尽管已有研究证明,各种基于微/纳米颗粒的药物递送系统都可以在酸性胃环境中存活并扩散到肠道中,但是由于其在肠道内停留时间有限,所以药物吸收效率仍然低下。

为了提高递送效率,研究者已经探索了大量基于被动扩散的目标定位策略。但它们存在精度低、尺寸限制和特殊表面化学的问题。迫切需要这样一种系统:能通过精确控制微型药物输送系统,实现有针对性的药物递送,且具有较长的滞留时间和可持续的释药特征。由于缺乏成像引导控制,目前还没有关于使用微电机在体内进行精确靶向递送的报道。另外,药物递送系统必须具有生物降解性和生物相容性,在其完成任务后能够由身体安全清除。

如今,加州理工学院的研究人员做了光声计算机断层扫描(photoacoustic computed tomographyPACT)引导的体内肠道微型机器人的研究。他们的初衷,是治疗消化道肿瘤。将微型机器人包裹在微胶囊中,在胃中可以保持稳定,并且一经释放,微型机器人就可以在体内各种生物流体中表现出有效的推进力。此外,PACT在体内可以实时显示微电机胶囊向肠道内靶区域的迁移。到达靶区域后,胶囊在近红外光的照射下崩解,释放出驮着“货物”的微电机。微电机的强力推进有效延长了肠内滞留时间。新开发的微型机器人系统与PACT的集成,使微电机在体内能够进行深部组织的成像和精确控制,具有实际的生物医学应用价值,比如药物输送。

具体来讲,微型机器人主体为微型镁金属球(直径约20um),表面镀了一层薄薄的金属金和聚对二甲苯(可以抵抗消化)的。金属球表面留有圆形部分未被覆盖,这部分裸露的金属镁与消化道中的流体反应,产生小气泡。气泡流像喷射器一样向前推动球体,直到它与附近的组织碰撞。

如果仅仅是这样的一个小机器人,则只能称其为“光杆司令”。它被创造出来的使命,是对抗消化道的肿瘤组织。小机器人需要将士——药物为它上阵杀敌。怎么带领药物这个能兵强将呢?

首先,研究者将一层药物夹在单个微金属球和聚对二甲苯涂层之间。接着,为了保护微型机器人免受胃中恶劣环境的影响,它们被包裹在由石蜡制成的微胶囊中。

目前,光学成像由于其高时空分辨率和分子对比而被广泛用于生物医学领域。然而,将传统光学成像应用于深部组织,受到了强光学散射的阻碍,这抑制了超出光扩散极限的高分辨率成像(深度约12mm)。幸运的是,光声断层扫描(PAT)探测光子引起的超声波,在深度远远超过光学扩散极限的情况下,实现了高分辨率成像。在PAT中,由组织内的发色团吸收的光子能量被转换为声波,随后被检测以产生具有光学对比度的高分辨率断层图像。利用软组织中可忽略不计的声散射,PAT在深处获得了极好的空间分辨率。作为PAT的进阶版,PA计算机断层扫描(PACT)有着高时空分辨率、深度穿透(体内48 mm组织穿透)。凭借这些优势,PACT有望在体内实现微电机的实时导航,适用于广泛的应用,特别是药物输送。

现在,小机器人已经可以携带药物,但仍缺乏将它们运送到所需位置的关键能力。为此,研究人员使用了光声计算机断层扫描(PACT)。红外光在组织中扩散,被红细胞中携带氧的血红蛋白分子吸收,导致这些分子超声振动。那些超声波振动由压在皮肤上的传感器拾取。来自这些传感器的数据,将被用于创建身体内部结构的图像。

研究者已经证明PACT可用于鉴别乳腺肿瘤,甚至个别癌细胞。关于微型机器人,该技术强调两点:首先是成像。研究人员可以通过PACT图像在消化道中跟踪微型机器人的位置并找到肿瘤。一旦微型机器人到达肿瘤附近,就可以通过高功率连续近红外激光束激活它们。微型机器人在红外光照射下会被短暂地加热,使周围的蜡胶囊熔化,并将其暴露在消化液中。此时微型机器人的“泡泡喷射器”激活,微型机器人开始聚集。接着,它们将附着在肿瘤表面,并释放药物。此外研究者表示,因为微型机器人是由镁制成的,所以它们具有生物相容性和可生物降解性。

动物模型中的测试显示,微型机器人的表现与预期一致。接下来,研究人员计划评估这一系统的治疗效果。此外,他们希望以后可以开发出可以在身体其他部位运行的微型机器人,以及不同类型的推进系统。