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浙大团队研制一款微纳机器人,可通过光合作用靶向治疗肿瘤

发布时间:2020-03-19来源:浙大新闻办作者:柯溢能3141

微纳机器人指的是尺度介于微纳米级别,可以对微纳空间进行精细操作的机器人。由于其具有灵活运动、精确靶向、药物运输等能力,在疾病诊断治疗、靶向递送、无创手术等生物医学领域具有广阔的应用前景。然而现阶段针对微纳机器人的有关研究大多聚焦在体外,在体内治疗应用的更多预期功能仍然具有极大的挑战性。

近日,浙江大学医学院附属第二医院/转化医学研究院周民研究员团队研制出一款微纳机器人,通过以微藻作为活体支架,“穿上”磁性涂层外衣,靶向输送至肿瘤组织,成功改善肿瘤乏氧微环境并有效实现磁共振/荧光/光声三模态医学影像导航下的肿瘤诊断与治疗。

这项研究被刊登在材料领域著名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials),并被遴选为当期封面。论文的第一作者是浙江大学转化医学研究院交叉学科直博生钟丹妮,论文通讯作者为周民研究员。

周民团队


光合作用解决供氧不足

在肿瘤治疗中,为何需要微纳机器人靶向提供氧气呢?

这是因为肿瘤细胞在快速增殖中消耗了大量的氧气,导致肿瘤组织内部存在缺氧微环境,这成为众多肿瘤治疗方法出现耐受现象的重要原因之一。一般临床肿瘤治疗采用的放疗和光动力治疗中,患者通过高压氧仓吸氧来解决肿瘤内部氧气不足的问题。但这种方法往往收效甚微,并不能达到靶向供氧到肿瘤部位,难以提高肿瘤治疗效果。

螺旋藻,一种生活中常见的微藻,作为水生植物能够通过光合作用产生氧气。那么如何将该微藻送进肿瘤?课题组提出将超顺磁性的四氧化三铁纳米颗粒通过浸涂工艺,均匀涂层至微藻表面。磁性工程化的微藻能够在外部磁场控制下,能够定向运动至肿瘤。

磁性工程化螺旋磁铁控制下能定向移动

研究的创新性在于无机和有机的微纳体,选择性把药物输送到肿瘤缺氧部位。”周民介绍,他们所研制的微纳机器人是一种光合生物杂交体系统,这个系统既保持了微藻高效的产氧活性,还兼有四氧化三铁纳米颗粒的定向磁驱能力。

微纳机器人通过光合作用提高肿瘤氧气浓度

在具体治疗中,通过体外交变磁场将微纳机器人靶向运送并积累至肿瘤,通过体外光照,由光合作用原位产生氧气来减轻肿瘤内部乏氧程度,从而提高放射疗法的效率。“在小鼠的原位乳腺癌模型中,经增强的联合治疗展现了明显的肿瘤生长抑制作用。”

增强放疗/光动力协同治疗抑制肿瘤生长并可降解


叶绿素一面照出肿瘤变化的镜子

光合生物杂交微纳泳体系统不仅对于放疗具有积极作用,在经过射线处理后释放的叶绿素能作为光敏剂,进而产生具有细胞毒性的活性氧来杀死肿瘤细胞,实现协同光动力治疗。“正常的光动力治疗需要氧气和活性氧才能顺利开展,目前的微纳机器人能够很好地解决这两个需求。”

此外,微藻中含有的大量叶绿素,也具有的天然荧光和光声成像功能,可以无创性地监测肿瘤治疗情况和肿瘤微环境变化。“药物遇到荧光,就能够表达出来。叶绿素是一面镜子能够找出来它。”

基于叶绿素的治疗及成像功能

这项研究持续了三年,周民说最早关注到微藻是源于一次海洋学院会议,和藻类研究的朋友聊天时受到的启发。面对未来的应用前景,周民说:“该微纳泳体本质作为天然生物能够在体内得到有效降解,为生物杂化材料应用在靶向递送和体内生物医学中提供了转化前景。”

研究工作得到了浙江大学眼科中心、浙江大学交叉学科项目、浙江大学现代光学仪器国家重点实验室、浙江大学恶性肿瘤预警与干预教育部重点实验室等的大力支持,该研究也得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省重点研发计划等项目资助。

论文连接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910395

(文 柯溢能/图片由课题组提供)