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螺旋藻“披上”磁性外衣 借光合作用靶向治疗肿瘤

2020-04-02 00:00 来源:科技日报 洪恒飞 柯溢能 本报记者 江 耘

  螺旋藻在外部磁场控制下,能够定向移动至肿瘤。受访者供图

  因具有灵活运动、药物运输等能力,微纳机器人在疾病诊断治疗、靶向递送、无创手术等生物医学领域有着广阔的应用前景。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存在极大的挑战。

  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了一款微纳机器人。他们以具有生物活性的螺旋藻作为活体支架,将其浸涂磁性涂层、“改装”成微纳米机器人后,再调节外部磁场、靶向输送至肿瘤组织,成功改善了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》上。

  借体外光照,为肿瘤治疗供氧

  “尺度为微纳米级别、可通过外部调控控制的超小型材料或器械通常被称为微纳机器人。”周民介绍说,微米尺寸的微藻经过改装,在肿瘤治疗方面,具备了更多优越性。

  据了解,肿瘤细胞在快速增殖中会消耗大量的氧气,导致肿瘤组织内部存在缺氧微环境,这成了包括放疗、化疗等众多肿瘤治疗方法出现耐受现象、疗效受限的重要原因之一。

  通常情况下,临床肿瘤治疗会采用放疗和光动力治疗,令患者通过高压氧舱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,并不能为接受治疗的肿瘤部位靶向供氧,难以提高肿瘤治疗效果。

  “我们想到螺旋藻,一种生活中常见的微藻,能够通过光合作用产生氧气,要把它送进肿瘤却并不简单。”周民告诉记者,自己和浙江大学机械学院的教授交流时,了解到他们经常用不同浸涂方法在应用机械上浸涂不同的材料来提高机械的防护能力或者机械强度。

  “这给了我灵感,磁性涂层也是一种经常采用的方法,用于通过外部磁场来控制机械的定向移动。”实验团队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,磁性工程化的微藻在外部磁场控制下,能够定向运动至肿瘤。

  在具体治疗中,实验团队通过体外交变磁场将由微藻改装成的微纳机器人靶向运送至肿瘤,通过体外光照,由光合作用在肿瘤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。

  实验团队发现,在小鼠的原位乳腺癌模型中,经增强的放疗联合治疗明显抑制了肿瘤的生长。

  释放叶绿素,监测杀灭两不误

  “研究的创新性在于无机材料与活性生物混合的微纳体,选择性把药物输送到肿瘤缺氧部位。”周民说,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。

  “螺旋藻之类的微藻本身内部也包含叶绿素,而叶绿素是有荧光性能的。当微藻到达肿瘤部位以后,通过微藻内部的叶绿素可以产生荧光。”周民说,药物遇到荧光,就能够表达出来,可以无创性地监测肿瘤治疗情况和肿瘤微环境变化。

  据介绍,这一光合生物杂交体系统,经过射线处理后能释放叶绿素作为光敏剂,在外部红光的照射下,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,我们制成的微纳机器人能够很好地解决这两个需求。”周民说,这套系统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。

  谈及未来的应用,周民表示,课题组目前在尝试做相关药物的生物安全性实验和大型动物实验,同时还需要进一步提高磁场控制能力。“我们目前利用的磁场是比较简单的磁性装置,正在和浙江大学机械学院的教授合作,采用定向可控交变磁场,以便更精准控制药物在肿瘤内部的运动。”

(责任编辑:王蔚)

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