微納機器人指的是尺度介于微納米級別，可以對微納空間進行精細操作的機器人。由于其具有靈活運動、精確靶向、藥物運輸?shù)饶芰?，在疾病診斷治療、靶向遞送、無創(chuàng)手術(shù)等生物醫(yī)學領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。然而現(xiàn)階段針對微納機器人的有關(guān)研究大多聚焦在體外，在體內(nèi)治療應用的更多預期功能仍然具有極大的挑戰(zhàn)性。

近日，浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院/轉(zhuǎn)化醫(yī)學研究院周民研究員團隊研制出一款微納機器人，通過以微藻作為活體支架，“穿上”磁性涂層外衣，靶向輸送至腫瘤組織，成功改善腫瘤乏氧微環(huán)境并有效實現(xiàn)磁共振/熒光/光聲三模態(tài)醫(yī)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(lǐng)域著名期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials），并被遴選為當期封面。論文的第一作者是浙江大學轉(zhuǎn)化醫(yī)學研究院交叉學科直博生鐘丹妮，論文通訊作者為周民研究員。

周民團隊

光合作用解決供氧不足

在腫瘤治療中，為何需要微納機器人靶向提供氧氣呢？

這是因為腫瘤細胞在快速增殖中消耗了大量的氧氣，導致腫瘤組織內(nèi)部存在缺氧微環(huán)境，這成為眾多腫瘤治療方法出現(xiàn)耐受現(xiàn)象的重要原因之一。一般臨床腫瘤治療采用的放療和光動力治療中，患者通過高壓氧倉吸氧來解決腫瘤內(nèi)部氧氣不足的問題。但這種方法往往收效甚微，并不能達到靶向供氧到腫瘤部位，難以提高腫瘤治療效果。

螺旋藻，一種生活中常見的微藻，作為水生植物能夠通過光合作用產(chǎn)生氧氣。那么如何將該微藻送進腫瘤？課題組提出將超順磁性的四氧化三鐵納米顆粒通過浸涂工藝，均勻涂層至微藻表面。磁性工程化的微藻能夠在外部磁場控制下，能夠定向運動至腫瘤。

磁性工程化螺旋藻，在磁鐵控制下能定向移動

“研究的創(chuàng)新性在于無機和有機的微納體，選擇性把藥物輸送到腫瘤缺氧部位?！敝苊窠榻B，他們所研制的微納機器人是一種光合生物雜交體系統(tǒng)，這個系統(tǒng)既保持了微藻高效的產(chǎn)氧活性，還兼有四氧化三鐵納米顆粒的定向磁驅(qū)能力。

微納機器人通過光合作用提高腫瘤氧氣濃度

在具體治療中，通過體外交變磁場將微納機器人靶向運送并積累至腫瘤，通過體外光照，由光合作用原位產(chǎn)生氧氣來減輕腫瘤內(nèi)部乏氧程度，從而提高放射療法的效率。“在小鼠的原位乳腺癌模型中，經(jīng)增強的聯(lián)合治療展現(xiàn)了明顯的腫瘤生長抑制作用?！?/span>

增強放療/光動力協(xié)同治療抑制腫瘤生長并可降解

葉綠素一面照出腫瘤變化的鏡子

光合生物雜交微納泳體系統(tǒng)不僅對于放療具有積極作用，在經(jīng)過射線處理后釋放的葉綠素能作為光敏劑，進而產(chǎn)生具有細胞毒性的活性氧來殺死腫瘤細胞，實現(xiàn)協(xié)同光動力治療?！罢５墓鈩恿χ委熜枰鯕夂突钚匝醪拍茼樌_展，目前的微納機器人能夠很好地解決這兩個需求?！?/span>

此外，微藻中含有的大量葉綠素，也具有的天然熒光和光聲成像功能，可以無創(chuàng)性地監(jiān)測腫瘤治療情況和腫瘤微環(huán)境變化?！八幬镉龅綗晒猓湍軌虮磉_出來。葉綠素是一面鏡子能夠找出來它。”

基于葉綠素的治療及成像功能

這項研究持續(xù)了三年，周民說最早關(guān)注到微藻是源于一次海洋學院會議，和藻類研究的朋友聊天時受到的啟發(fā)。面對未來的應用前景，周民說：“該微納泳體本質(zhì)作為天然生物能夠在體內(nèi)得到有效降解，為生物雜化材料應用在靶向遞送和體內(nèi)生物醫(yī)學中提供了轉(zhuǎn)化前景。”

研究工作得到了浙江大學眼科中心、浙江大學交叉學科項目、浙江大學現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室、浙江大學惡性腫瘤預警與干預教育部重點實驗室等的大力支持，該研究也得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、浙江省重點研發(fā)計劃等項目資助。

論文連接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910395

（文 柯溢能/圖片由課題組提供）