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Science子刊:中美科学家开发微米机器人精准治疗肠道癌症

来源:本站原创 2019-08-21 07:37

2019年8月21日讯 /生物谷BIOON /——针对身体有病的部位进行治疗,是科学家和医学工作者们长期以来追求的目标。

但问题在于病变部位通常是在身体内部,不太容易触及。在这种情况下,可能需要手术或化疗等治疗。加州理工学院工程与应用科学系的两名研究人员正在研究一种全新的治疗形式--微型机器人,它可以将药物输送到身体内部的特定部位,同时又能在身体外部进行监控。

"微型机器人的概念真的很酷,因为你可以把微型机器放到你需要的地方,"加州理工学院医学工程和电气工程Caltech's Bren教授Lihong Wang说。"可能是药物输送,也可能是预先设计好的显微手术。"

这个微机器人是Wang和医学工程助理教授Wei Gao的联合研究项目成功,旨在治疗消化道肿瘤

这种微型机器人由微小的金属镁球组成,金属镁球表面覆盖着一层薄薄的金和聚对二甲苯,聚对二甲苯是一种抗消化的聚合物。这些涂层使球体的一个圆形部分裸露在外,有点像舷窗。镁的裸露部分与消化道中的液体发生反应,产生小气泡。气泡流的作用就像射流,推动球体向前,直到它与附近的组织碰撞。

图片来源:Science Advances

就其本身而言,可以四处缩放的镁球形微型机器人可能很有趣,但它们并不是特别有用。为了把它们从一种新奇的东西变成运送药物的工具,Wang和Gao对它们做了一些修改。

首先,在单个微球和它的聚对苯二甲酸酯涂层之间夹有一层药物。为了保护微型机器人免受胃部恶劣环境的伤害,它们被包裹在石蜡制成的微胶囊中。

在这个阶段,这些球体能够携带药物,但仍然缺乏将药物运送到所需位置的关键能力。为此,Wang和Gao使用了光声计算机断层扫描(photoacoustic computed tomography,PACT),这是Wang开发的一种利用红外激光脉冲的技术。

红外激光可以透过组织,被红细胞内携氧血红蛋白分子吸收,使分子产生超音波振动。这些超声波振动被压在皮肤上的传感器接收。来自这些传感器的数据被用来创建身体内部结构的图像。

此前,Wang已经证明,可以用PACT的变化来识别乳腺肿瘤,甚至单个癌细胞。这项最新研究分为两部分:第一个是成像,通过使用PACT,研究人员可以在消化道发现肿瘤,并追踪微型机器人的位置,这些机器人在PACT的图像中表现得很明显。一旦微型机器人到达肿瘤附近,就会使用大功率连续波近红外激光束来激活它们。由于微型机器人吸收红外光的能力非常强,它们会短暂地升温,融化周围的蜡囊,并将蜡囊暴露在消化液中。这时,微型机器人的气泡喷流被激活,微型机器人开始运动粘附在肿瘤组织周围,开始释放它们的药物。

"这些微型马达可以穿透消化道的粘液,并在那里停留很长时间。这改善了药物的输送,"Gao说道。"但因为它们是由镁制成的,所以它们具有生物相容性和生物降解性。"

动物模型实验表明,微型机器人的表现符合预期,但Wang和Gao表示,他们计划继续推进这项研究。

Gao说:"我们证明了这样一个概念:你可以在特定的患病区域,激活微型机器人。下一步是评估它们的治疗效果。"

Gao还表示,他希望开发出微型机器人的变种,这种机器人可以在身体的其他部位工作,并具有不同类型的推进系统。

Wang说,他的目标是改进他的PACT系统与微型机器人的交互方式。它使用的红外线激光很难进入身体的深层,但他说,应该有可能开发出一种能穿透更深的系统。(生物谷Bioon.com)

参考资料:

Zhiguang Wu et al, A microrobotic system guided by photoacoustic computed tomography for targeted navigation in intestines in vivo, Science Robotics (2019). DOI: 10.1126/scirobotics.aax0613
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