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磁場驅動微型機器人幫助藥物輸送奈米粒子到達目標

來源 : 亞洲健康互聯海外中心
update : 2019/04/29
麻省理工學院的工程師設計了一種磁性微機器人,可以幫助將藥物輸送顆粒推入腫瘤組織(左圖)。他們還使用成群的天然磁性細菌來達到同樣的效果(右圖)。圖片來源:麻省理工學院
麻省理工學院工程師設計2k7微型機器人,可以幫助藥物輸送奈米粒子從血液中流出,進入腫瘤或其他疾病部位。就像科幻電影《Fantastic Voyage》中的工藝品,潛艇工作人員縮小尺寸並漫遊身體以修復受損細胞。機器人在血液中游動,產生的電流隨著它們一起拖動奈米粒子。
 
受細菌推進啟發的磁性微型機器人。可以讓粒子離開血管並在正確的位置積聚。這是幫助克服使用奈米粒子輸送藥物最大的障礙之一。
 
該研究的高級作者,麻省理工學院科赫綜合癌症研究所及其醫學工程與科學研究所成員Sangeeta Bhatia教授說:「 將奈米材料放入血液中並將其靶向患病組織時,這種有效載荷進入組織的最大障礙是血管內壁。」
於4月26日發表於《科學進展》期刊的主要作者Simone Schuerle補充說:「我們想看看可否使用磁力來產生推動奈米粒子進入組織的流體力」。
 
在同一項研究中,研究人員還表明,他們可以使用天然磁性的活細菌群,來達到類似的效果。研究人員說,這些方法中的每一種都適用於不同類型的藥物輸送。
 
微型機器人
在大多數情況下,研究人員將他們的奈米粒子靶向被「滲漏」血管(如腫瘤)包圍的疾病部位,使顆粒更容易進入組織,但是遞送過程仍然不如需要的那般有效。
 
麻省理工學院的團隊決定探索磁力機器人產生的力量,是否可以提供更好的方法將粒子推出血液並進入目標部位。
 
Schuerle在研究中使用的機器人長度為35百分之一,大小與單顆電池相似,並且可以透過施加外部磁場來控制。研究人員稱這種生物啟發的機器人為「人造細菌鞭毛」,由一種微小的螺旋組成,類似於許多細菌用來推動自身的鞭毛。這些機器人使用高分辨率3-D列印機進行3D列印,然後塗上鎳,使它們具有磁性。
 
為了測試單個機器人控制附近奈米粒子的能力,研究人員創造了一種模擬腫瘤周圍血管的微流體系統。它們系統中的通道,寬度在50到200微米之間,內襯有凝膠,該凝膠具有孔以模擬腫瘤附近看到的破裂血管。
 
研究人員使用外部磁鐵向機器人施加磁場,使螺旋旋轉並在通道中游動。由於流體以相反的方向流過通道,機器人保持靜止並產生對流電流,將200奈米聚苯乙烯顆粒推入模型組織。這些顆粒在沒有磁性機器人的幫助下,被輸送到組織中的深度是奈米顆粒的兩倍。
 
這種類型的系統可以潛在地結合到支架中,支架是靜止的並且易於透過外部施加的磁場來瞄準。Bhatia說,這種方法可用於提供藥物以幫助減少支架部位的炎症。
 
細菌群
研究人員還開發了這種方法的一種變體,它依賴於成群的天然趨磁細菌而不是微型機器人。Bhatia之前利用細菌在疾病部位積聚的自然傾向,開發出可用於傳遞抗癌藥物和診斷癌症的細菌。
 
在這項研究中,研究人員使用了一種名為『Magnetospirillum magneticum』的細菌,它可以自然地產生氧化鐵鍊。這些被稱為磁小體的磁性粒子,幫助細菌定位自己並找到它們的首選環境。
 
研究人員發現,當他們將這些細菌放入微流體系統並在某些方向上施加旋轉磁場時,細菌開始同步旋轉並沿同一方向移動,拉動附近的任何奈米粒子。在這種情況下,研究人員發現奈米粒子被推入模型組織的速度,比沒有任何磁力輔助的奈米粒子快了三倍。
 
這種細菌方法可以更好地適用於腫瘤等情況下的藥物輸送,其中在不需要視覺反饋的情況下,從外部控制的群體可以在整個腫瘤的血管中產生流體力。 
 
研究人員在這項研究中使用的顆粒大到足以攜帶大量有效載荷,包括CRISPR基因組編輯系統所需的成分,Bhatia說,她現在計劃與Schuerle合作,進一步開發這兩種用於動物模型測試的磁性方法。