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精準醫療新“利器”!科學家開發出基于細菌的微型機器人
時間:2022-07-29 09:41:45  作者:lfy  來源:生物谷
再生醫學網獲悉,近日,來自德國馬克斯-普朗克智能系統研究所的研究人員將機器人技術與生物學相結合,給大腸桿菌配備人工成分來構建生物混合微型機器人。
  惡性腫瘤是最常見的一類惡性疾病,而且目前臨床上對于絕大多數惡性腫瘤并無行之有效的治療方法,這也導致了惡性腫瘤患者生存期極其短暫。為解決這一醫學難題,科學家們開始嘗試通過納米機器人來實現直達腫瘤深處給藥的可能性。

  再生醫學網獲悉,近日,來自德國馬克斯-普朗克智能系統研究所的研究人員將機器人技術與生物學相結合,給大腸桿菌配備人工成分來構建生物混合微型機器人。相關研究成果發表在Science Advances期刊上。
  在該項研究中,科學家們首先在每個大腸桿菌上附著了幾個納米脂質體(nanoliposome)。在它們的外圍,這些球形的載體包裹著吲哚菁綠(indocyanine green,ICG),當被近紅外光照到時ICG就會融化。再往中間走,在水性核心內部,這些納米脂質體包裹著水溶性化療藥物分子阿霉素(doxorubicin,DOX)。
  其次,他們附著在大腸桿菌上的第二個成分是磁性納米顆粒:氧化鐵顆粒。當暴露在磁場中時,氧化鐵顆粒對這種高度能動的微生物起到了頂部助推器的作用。通過這種方式,更容易控制大腸桿菌的游動---這是朝著體內應用的改進設計。與此同時,一種非常穩定和難以破壞的鏈霉菌素和生物素復合物將這些納米脂質體和磁性顆粒與大腸桿菌結合在一起,在構建生物混合微型機器人時非常有用。
  眾所周知,大腸桿菌是一種快速而多才多藝的游泳者,可以在從液體到高粘性組織的材料中穿梭。但這還不是全部,它們還具有高度先進的感應能力。細菌被化學梯度所吸引,如低氧水平或高酸度---這兩者都在腫瘤組織附近普遍存在。通過在腫瘤附近注射細菌來治療癌癥被稱為細菌介導的腫瘤治療。細菌流向腫瘤所在的地方,在那里生長,并以這種方式激活患者的免疫系統。一個多世紀以來,細菌介導的腫瘤治療已經成為一種治療方法。
  在過去的幾十年里,科學家們一直在尋找方法,以進一步提高細菌的這些超能力。他們為細菌配備了額外的成分以幫助它們戰斗。然而,增加人工成分并不是一件容易的事。復雜的化學反應在起作用,而且加載到細菌上的顆粒的密度率很重要,以避免稀釋。在這項新的研究中,這些作者如今把門檻提高了不少。他們設法為100個細菌中的86個配備了納米脂質體和磁性納米顆粒。
  這些作者展示了他們如何成功地從外部引導這樣一種高密度的細菌溶液通過不同的路線。首先,通過一個L形的狹窄通道,每端有兩個隔間,每個隔間里有一個腫瘤球狀體。第二,一個更窄的設置,類似于小血管。他們在一側添加了一個額外的永久磁鐵,并展示了他們如何精確地控制裝載藥物的微型機器人走向腫瘤球狀體。第三,他們引導微型機器人通過粘性膠原蛋白凝膠(類似于腫瘤組織),其硬度和孔隙度有三個級別。膠原蛋白越硬,膠原蛋白凝膠的網孔就越緊,細菌就越難在基質中找到一條路。他們發現,一旦他們加入一個磁場,細菌就能設法一路導航到膠原蛋白凝膠的另一端。由于不斷對準,細菌找到了穿過膠原蛋白凝膠的方法。
  一旦這些微型機器人積聚在所需的位點(腫瘤球狀體),一個近紅外激光器產生溫度高達55攝氏度的射線,引發了納米脂質體的融化過程,并釋放出所含的藥物。低pH值或酸性環境也會導致納米脂質體裂開,因此藥物會在腫瘤附近自動釋放。
  論文共同第一作者、馬克斯-普朗克智能系統研究所的博士生Mukrime Birgül Akolpoglu說,“想象一下,我們將把這種基于細菌的微型機器人注射到癌癥患者的體內。通過一個磁鐵,我們可以精確地將它們引向腫瘤。一旦有足夠的微型機器人包圍著腫瘤,我們將激光對準腫瘤組織,并以此觸發藥物的釋放。如今,不僅免疫系統被觸發喚醒,而且釋放出來的藥物也有助于摧毀腫瘤?!?/div>
  隨著新科技的發展,特別是納米技術的問世,為推動醫學技術更新換代做出了重大貢獻。對此,再生醫學網表示,隨著該項研究成果的問世,或將有助于科學家徹底“征服”癌癥有效治療這道高峰,從而讓數以千萬計的癌癥患者能夠獲得較長的生存周期。
關鍵字:精準醫療,納米機器人,納米脂質體,大腸桿菌
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