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纳米机器人在医学领域的四大功能
来源于:贤集网 | 作者:MED-NONATECH | 发布时间:2017-10-26 | 浏览:2885


2016年诺贝尔化学奖花落“分子机器的设计与合成”领域,已然充分肯定了分子机器在学术科研中的重要地位。而纳米机器人无疑是分子机器中独占鳌头的重量级角色,率先提出利用微型机器人治病的纳米技术之父费曼更是形象地将其喻为“可吞下的外科医生”。此后,无数科学家前赴后继的投入这个科技新领域中,期冀能与生命医学相碰撞出不一样的火花。

Science:纳米机器人在医学领域的四大功能


纳米机器人的研制属于分子仿生学范畴,可依据分子水平的生物学原理设计出能在纳米空间内进行操作的功能分子器件,通常因驱动原理不同而被分为以下四个类型:染料动力型(化学反应)、磁力螺旋型(磁场)、超声波动力型和精子动力生物混合型;且其多由生物相容性材料构成,当它在人体内完成使命后就会逐渐降解甚至消失。除此之外,目前许多研究表明,作为医学领域的新宠,这些“体内医生”自有一些神技能加身,如通过复杂的生物媒介或者狭窄的毛细血管进行局部定位诊断、成像、采取活检样本、靶向释放药物等操作。


而Science新近发表的一篇文章也就从纳米机器人药物靶向运输、手术的精准操作、生物靶标的感知以及解毒四大功能进行了具体的阐释。


药物靶向运输


现阶段细胞内药物运输是纳米机器人领域的热门研究方向。这是因为传统的药物运输载体主要依赖于系统循环,缺少定点运输、组织渗透等驱动导航能力;然而纳米机器人却能克服这些挑战,成为实现药物运输的理想化载体,可以实现药物的快速、精准释放,并提高疗效、减轻药物副作用。

Science:纳米机器人在医学领域的四大功能


很多在体外、试管中的早期研究已经验证了其药物运输的潜能,比如多层管状聚合纳米机器人通过多孔膜逐层装载抗癌药物阿霉素,并将其运送至癌细胞附近等。而纳米机器人的体内研究最近也是捷报频频,如以Zn2+为基础的纳米机器人可在胃酸的驱动下增强与胃壁的结合能力,并在溶解的过程中逐步释放出靶向药物;镁基管状纳米机器人在安全穿过胃酸后,可调节pH敏感的外层肠溶聚合物层的厚度,选择性的在胃肠道(GI)激活及释放药物。另外,一种趋磁趋氧细菌(Magnetococcus marinus strain MC-1)也可驱动纳米脂质体运输至肿瘤缺氧区。


手术的精准操作


手术机器人的问世,即减少了复杂外科手术风险,也拓宽外科医生能力,即协助医生实现更高精度、更灵活和可控性的微创手术。与大型器械不同的是,微型机器人能灵活靶向机体的任何组织部位并能实现细胞水平的相应操作,有望突破传统外科手术的局限并实现精准手术。

Science:纳米机器人在医学领域的四大功能


目前被应用于微创手术的微纳米技术工具有纳米钻头(nanodrillers)、微型夹钳(microgrippers)和微型子弹(microbullets)。其中,微型夹钳在基于温度、Ph或酶刺激的作用下,可穿过人体最狭窄的毛细血管捕捉并移出组织中的细胞,从而显示出体外组织活检的强度。另外,最近借由磁场及超声波可以穿透较厚的生物组织,也研发了相关类型的纳米机器人。目前已有研究者证实了磁驱动微型机器人植入在兔子的眼后部进行手术,而超声驱动纳米机器可在单细胞水平甚至于亚细胞水平进行精密手术。显然,尽管它们在机体内的推进方式不同,但是在强大的控制系统的作用下能对靶标进行精确的定位,具有极大的精准手术的潜力。


疾病的精准诊断


得益于自主运动性能、简单的表面功能化以及高效捕获、分离目标物的优势,携有多种生物受体的微型/纳米机器人可作为生物传感器,实时分离检测微量体液中的靶标分子(如蛋白质、核酸、癌细胞等),提高了生物测定的敏感性和高效性,可实现疾病的精准诊断以及为研发新的医疗诊断微芯片奠定了基础。

Science:纳米机器人在医学领域的四大功能

举个例子,如图中所示,纳米机器人可通过寡核苷酸探针检测纳摩尔水平的靶DNA序列,也可通过相应的适配体从生物样品中分离出凝血酶,还可通过相应抗体识别分离出特定癌细胞。目前,已有相关纳米机器人被用于检测阿兹海默症的生物靶标。此外,纳米机器人还可实现细胞内的生物分子检测。已有研究团队通过带有荧光标记的单链DNA(ssDNA)探针的超声驱动的纳米机器人,实现其对细胞内microRNA-21分子的检测。当靶miRNA存在时,其与ssDNA的结合使得探针从纳米机器表面移位并发出荧光,能从单细胞水平检测miRNA的表达情况。


强大解毒功能

Science:纳米机器人在医学领域的四大功能


类似于生物传感器,当纳米机器人表面包裹着特定物质时,也可快速捕获、清除机体内的有毒物质。比如包覆红细胞膜的纳米粒子可中和自然界中的一种常见蛋白毒素——穿孔毒素(PFT,在细胞打孔来破坏细胞)。以此为基础,已有研究者研发了一种含有镁微粒的水驱动膜封纳米粒子,可有效地中和体液中的α-毒素;或者将其与超声波驱动相结合后对血液中的PFTs进行清除。此外,还有一种解毒方式就是构建带有聚二乙炔纳米粒子的3D版“微型小鱼”,可捕获并中和毒素,同时在毒素溶液中,它也会显出比静态时更强的荧光。


现阶段微型/纳米机器人在医疗领域的应用还处于起步阶段。发挥微小机器人的全部潜能面临很多未知和挑战。目前绝大多数依赖于过氧化氢驱动的纳米粒子只能在体外应用,而由活性物质(Mg、Zn等)驱动的机器人因对推动剂的快速消耗而导致寿命相对较短。因而,筛选到一种具有较好生物相容性和长期自主运动特性的新纳米粒子驱动方式,来确保机器人在体内更安全、持续地运行便是一个重大的挑战。另外,又因纳米机器人的操作和智能主要依赖于其材料和表面性质,所以如何通过新的智能材料和尖端的制造技术将纳米机器推向新的水平也是需要研究者需要考虑的问题之一。


总之,只有克服以上种种障碍,在未来纳米机器人才会朝着更加智能的方向发展,才有可能具备高移动性、可变形结构、可持续操作、精准控制等特性,才有望实现机器人之间的集群智能合作,甚至于自我进化、自我复制。



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