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核心提示：如今，科幻走進(jìn)現(xiàn)實(shí)，隨著智能時代的到來，能在微觀尺度執(zhí)行任務(wù)的微納機(jī)器人因其在藥物輸送、微創(chuàng)手術(shù)、醫(yī)療診斷、治療等方面廣泛應(yīng)用而受到關(guān)注。
“雙引擎”驅(qū)動
微納機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)遞藥
◎本報記者 葉 青
在好萊塢電影《奇妙旅程》中，為了救治病人，外科醫(yī)生可以縮小為原來的100萬分之一，進(jìn)入人體內(nèi)進(jìn)行手術(shù)。如今，科幻走進(jìn)現(xiàn)實(shí)，隨著智能時代的到來，能在微觀尺度執(zhí)行任務(wù)的微納機(jī)器人因其在藥物輸送、微創(chuàng)手術(shù)、醫(yī)療診斷、治療等方面廣泛應(yīng)用而受到關(guān)注。
3月13日，科技日報記者從中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院獲悉，該院醫(yī)藥所納米醫(yī)療與技術(shù)研究中心蔡林濤研究員團(tuán)隊開發(fā)了一款“雙引擎”、自適應(yīng)的酵母微納生物機(jī)器人（TBY-robot），通過生物酶與巨噬細(xì)胞“引擎”的切換，它能穿透人體多重生理屏障，實(shí)現(xiàn)將藥物精準(zhǔn)遞送到遠(yuǎn)程炎癥病灶。相關(guān)研究論文日前發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》上。
制備酵母微納生物機(jī)器人
微納生物機(jī)器人是能夠?qū)⒅車h(huán)境中的化學(xué)能或物理刺激轉(zhuǎn)化為自身動能的小型化智能化生物裝置。其具有在現(xiàn)有醫(yī)療器械難以企及的微觀領(lǐng)域進(jìn)行自驅(qū)運(yùn)動和導(dǎo)航的能力，有望實(shí)現(xiàn)疾病的精準(zhǔn)診療。
然而，由于人體內(nèi)存在多重生理屏障，開發(fā)能夠適應(yīng)微環(huán)境的變化，并將藥物精準(zhǔn)遞送到遠(yuǎn)程病灶的微納生物機(jī)器人仍然具有挑戰(zhàn)性。不僅如此，微納生物機(jī)器人必須具備超高的安全性，才能運(yùn)用在人體環(huán)境中。“我們的研究初衷是開發(fā)一款自適應(yīng)的微納生物機(jī)器人，能夠適應(yīng)體內(nèi)微環(huán)境的變化，從而能夠克服多重生理屏障進(jìn)行遠(yuǎn)程遞藥和治療。”論文共同通訊作者潘宏說。
生物酶驅(qū)動的微納生物機(jī)器人以體內(nèi)的生物相容性底物，如葡萄糖、尿素為燃料，在藥物遞送領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。
“其中，酵母微囊是可食用酵母益生菌的細(xì)胞壁成分，它是一種天然、中空、多孔可以負(fù)載多種納米藥物的微球，可以靶向巨噬細(xì)胞，這引起了我們的興趣。”潘宏介紹，具有炎癥趨化性的巨噬細(xì)胞也是一種天然的細(xì)胞“引擎”。“我們發(fā)現(xiàn)酵母微囊經(jīng)口服后，可以被腸道內(nèi)的巨噬細(xì)胞內(nèi)吞，而腸道內(nèi)的葡萄糖濃度梯度提示我們可以利用級聯(lián)驅(qū)動機(jī)器人的運(yùn)動。”潘宏說。
該團(tuán)隊以酵母微囊為活性材料，通過將葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶偶聯(lián)在包裹納米藥物的酵母微囊表面，制備了具有不對稱結(jié)構(gòu)的酵母微納生物機(jī)器人。
提高炎癥部位藥物富集量
驗(yàn)證表明，該酵母微納生物機(jī)器人經(jīng)過口服后，能夠利用腸道內(nèi)天然的葡萄糖濃度梯度穿透黏液屏障，通過腸上皮微褶皺細(xì)胞跨過腸上皮屏障，在派爾氏結(jié)內(nèi)自行切換為巨噬細(xì)胞引擎，進(jìn)而利用巨噬細(xì)胞的炎癥趨化性，經(jīng)過淋巴循環(huán)和血液循環(huán)，精準(zhǔn)地將藥物遞送到遠(yuǎn)程炎癥部位。
派爾氏結(jié)類似于“中轉(zhuǎn)站”。簡言之，該機(jī)器人通過在“中轉(zhuǎn)站”切換不同的交通工具，將藥物精準(zhǔn)地遞送到炎癥區(qū)域。
論文通訊作者蔡林濤介紹，在小鼠結(jié)腸炎模型和胃炎模型中的結(jié)果顯示，該機(jī)器人能夠使炎癥部位的藥物富集提高約1000倍，極大地降低了炎癥反應(yīng)并緩解了疾病的癥狀。這意味著它能夠通過EMS（郵政特快專遞服務(wù)）策略，將更多的藥物主動靶向遞送到炎癥病灶。
“酵母微納生物機(jī)器人具有優(yōu)良的生物相容性，且可以作為天然的納米藥倉，將不同形式的藥物精準(zhǔn)地遞送到炎癥病灶。”蔡林濤介紹，炎癥與許多疾病密切相關(guān)，包括癌癥、肥胖、糖尿病和腦退行性疾病等。該研究成果為胃腸道炎癥的治療提供了新的技術(shù)手段，也為治療其他炎癥疾病提供了全新思路。該團(tuán)隊目前已申請相關(guān)發(fā)明專利5項(xiàng)，并將進(jìn)一步擴(kuò)大“雙引擎”酵母機(jī)器人的應(yīng)用范圍。
微納機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)遞藥
◎本報記者 葉 青
在好萊塢電影《奇妙旅程》中，為了救治病人，外科醫(yī)生可以縮小為原來的100萬分之一，進(jìn)入人體內(nèi)進(jìn)行手術(shù)。如今，科幻走進(jìn)現(xiàn)實(shí)，隨著智能時代的到來，能在微觀尺度執(zhí)行任務(wù)的微納機(jī)器人因其在藥物輸送、微創(chuàng)手術(shù)、醫(yī)療診斷、治療等方面廣泛應(yīng)用而受到關(guān)注。
3月13日，科技日報記者從中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院獲悉，該院醫(yī)藥所納米醫(yī)療與技術(shù)研究中心蔡林濤研究員團(tuán)隊開發(fā)了一款“雙引擎”、自適應(yīng)的酵母微納生物機(jī)器人（TBY-robot），通過生物酶與巨噬細(xì)胞“引擎”的切換，它能穿透人體多重生理屏障，實(shí)現(xiàn)將藥物精準(zhǔn)遞送到遠(yuǎn)程炎癥病灶。相關(guān)研究論文日前發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》上。
制備酵母微納生物機(jī)器人
微納生物機(jī)器人是能夠?qū)⒅車h(huán)境中的化學(xué)能或物理刺激轉(zhuǎn)化為自身動能的小型化智能化生物裝置。其具有在現(xiàn)有醫(yī)療器械難以企及的微觀領(lǐng)域進(jìn)行自驅(qū)運(yùn)動和導(dǎo)航的能力，有望實(shí)現(xiàn)疾病的精準(zhǔn)診療。
然而，由于人體內(nèi)存在多重生理屏障，開發(fā)能夠適應(yīng)微環(huán)境的變化，并將藥物精準(zhǔn)遞送到遠(yuǎn)程病灶的微納生物機(jī)器人仍然具有挑戰(zhàn)性。不僅如此，微納生物機(jī)器人必須具備超高的安全性，才能運(yùn)用在人體環(huán)境中。“我們的研究初衷是開發(fā)一款自適應(yīng)的微納生物機(jī)器人，能夠適應(yīng)體內(nèi)微環(huán)境的變化，從而能夠克服多重生理屏障進(jìn)行遠(yuǎn)程遞藥和治療。”論文共同通訊作者潘宏說。
生物酶驅(qū)動的微納生物機(jī)器人以體內(nèi)的生物相容性底物，如葡萄糖、尿素為燃料，在藥物遞送領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。
“其中，酵母微囊是可食用酵母益生菌的細(xì)胞壁成分，它是一種天然、中空、多孔可以負(fù)載多種納米藥物的微球，可以靶向巨噬細(xì)胞，這引起了我們的興趣。”潘宏介紹，具有炎癥趨化性的巨噬細(xì)胞也是一種天然的細(xì)胞“引擎”。“我們發(fā)現(xiàn)酵母微囊經(jīng)口服后，可以被腸道內(nèi)的巨噬細(xì)胞內(nèi)吞，而腸道內(nèi)的葡萄糖濃度梯度提示我們可以利用級聯(lián)驅(qū)動機(jī)器人的運(yùn)動。”潘宏說。
該團(tuán)隊以酵母微囊為活性材料，通過將葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶偶聯(lián)在包裹納米藥物的酵母微囊表面，制備了具有不對稱結(jié)構(gòu)的酵母微納生物機(jī)器人。
提高炎癥部位藥物富集量
驗(yàn)證表明，該酵母微納生物機(jī)器人經(jīng)過口服后，能夠利用腸道內(nèi)天然的葡萄糖濃度梯度穿透黏液屏障，通過腸上皮微褶皺細(xì)胞跨過腸上皮屏障，在派爾氏結(jié)內(nèi)自行切換為巨噬細(xì)胞引擎，進(jìn)而利用巨噬細(xì)胞的炎癥趨化性，經(jīng)過淋巴循環(huán)和血液循環(huán)，精準(zhǔn)地將藥物遞送到遠(yuǎn)程炎癥部位。
派爾氏結(jié)類似于“中轉(zhuǎn)站”。簡言之，該機(jī)器人通過在“中轉(zhuǎn)站”切換不同的交通工具，將藥物精準(zhǔn)地遞送到炎癥區(qū)域。
論文通訊作者蔡林濤介紹，在小鼠結(jié)腸炎模型和胃炎模型中的結(jié)果顯示，該機(jī)器人能夠使炎癥部位的藥物富集提高約1000倍，極大地降低了炎癥反應(yīng)并緩解了疾病的癥狀。這意味著它能夠通過EMS（郵政特快專遞服務(wù)）策略，將更多的藥物主動靶向遞送到炎癥病灶。
“酵母微納生物機(jī)器人具有優(yōu)良的生物相容性，且可以作為天然的納米藥倉，將不同形式的藥物精準(zhǔn)地遞送到炎癥病灶。”蔡林濤介紹，炎癥與許多疾病密切相關(guān)，包括癌癥、肥胖、糖尿病和腦退行性疾病等。該研究成果為胃腸道炎癥的治療提供了新的技術(shù)手段，也為治療其他炎癥疾病提供了全新思路。該團(tuán)隊目前已申請相關(guān)發(fā)明專利5項(xiàng)，并將進(jìn)一步擴(kuò)大“雙引擎”酵母機(jī)器人的應(yīng)用范圍。
