螺旋藻在外部磁場控制下，能夠定向移動至腫瘤。受訪者供圖
因具有靈活運動、藥物運輸等能力，微納機器人在疾病診斷治療、靶向遞送、無創手術等生物醫學領域有著廣闊的應用前景。然而現階段針對微納機器人的有關研究大多聚焦在體外，在體內治療應用的更多預期功能仍然存在極大的挑戰。
近日，浙江大學醫學院附屬第二醫院轉化醫學研究院周民研究員團隊研製出了一款微納機器人。他們以具有生物活性的螺旋藻作為活體支架，將其浸塗磁性塗層、“改裝”成微納米機器人後，再調節外部磁場、靶向輸送至腫瘤組織，成功改善了腫瘤乏氧微環境並有效實現磁共振/熒光/光聲三模態醫學影像導航下的腫瘤診斷與治療。這項研究被刊登在材料領域著名期刊《先進功能材料》上。
“尺度為微納米級別、可通過外部調控控制的超小型材料或器械通常被稱為微納機器人。”周民介紹說，微米尺寸的微藻經過改裝，在腫瘤治療方面，具備了更多優越性。
據瞭解，腫瘤細胞在快速增殖中會消耗大量的氧氣，導致腫瘤組織內部存在缺氧微環境，這成了包括放療、化療等眾多腫瘤治療方法出現耐受現象、療效受限的重要原因之一。
通常情況下，臨床腫瘤治療會採用放療和光動力治療，令患者通過高壓氧艙吸氧來解決腫瘤內部氧氣不足的問題。但這種方法往往收效甚微，並不能為接受治療的腫瘤部位靶向供氧，難以提高腫瘤治療效果。
“我們想到螺旋藻，一種生活中常見的微藻，能夠通過光合作用產生氧氣，要把它送進腫瘤卻並不簡單。”周民告訴記者，自己和浙江大學機械學院的教授交流時，瞭解到他們經常用不同浸塗方法在應用機械上浸塗不同的材料來提高機械的防護能力或者機械強度。
“這給了我靈感，磁性塗層也是一種經常採用的方法，用於通過外部磁場來控制機械的定向移動。”實驗團隊提出將超順磁性的四氧化三鐵納米顆粒通過浸塗工藝，均勻塗層至微藻表面，磁性工程化的微藻在外部磁場控制下，能夠定向運動至腫瘤。
在具體治療中，實驗團隊通過體外交變磁場將由微藻改裝成的微納機器人靶向運送至腫瘤，通過體外光照，由光合作用在腫瘤原位產生氧氣來減輕腫瘤內部乏氧程度，從而提高放射療法的效率。
實驗團隊發現，在小鼠的原位乳腺癌模型中，經增強的放療聯合治療明顯抑制了腫瘤的生長。
釋放葉綠素，監測殺滅兩不誤
“研究的創新性在於無機材料與活性生物混合的微納體，選擇性把藥物輸送到腫瘤缺氧部位。”周民說，他們所研製的微納機器人是一種光合生物雜交體系統，這個系統既保持了微藻高效的產氧活性，還兼有四氧化三鐵納米顆粒的定向磁驅能力。
“螺旋藻之類的微藻本身內部也包含葉綠素，而葉綠素是有熒光性能的。當微藻到達腫瘤部位以後，通過微藻內部的葉綠素可以產生熒光。”周民說，藥物遇到熒光，就能夠表達出來，可以無創性地監測腫瘤治療情況和腫瘤微環境變化。
據介紹，這一光合生物雜交體系統，經過射線處理後能釋放葉綠素作為光敏劑，在外部紅光的照射下，產生具有細胞毒性的活性氧來殺死腫瘤細胞，實現協同光動力治療。
“正常的光動力治療需要氧氣和活性氧才能順利開展，我們製成的微納機器人能夠很好地解決這兩個需求。”周民說，這套系統作為天然生物能夠在體內得到有效降解，為生物雜化材料應用在靶向遞送和體內生物醫學中提供了轉化前景。
談及未來的應用，周民表示，課題組目前在嘗試做相關藥物的生物安全性實驗和大型動物實驗，同時還需要進一步提高磁場控制能力。“我們目前利用的磁場是比較簡單的磁性裝置，正在和浙江大學機械學院的教授合作，採用定向可控交變磁場，以便更精準控制藥物在腫瘤內部的運動。”(江 耘)
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