详谈仿白细胞微型机器人的应用

点击次数:   更新时间:2020-08-25 11:35     作者:利发国际

  近日,德国马克斯普朗克智能系统研究所成功开发出一种与白细胞相似的微型机器人,并在磁场的导航控制下实现了在模拟血管中快速逆行,为将来通过微型机器人将药物运送到患者病灶深处铺平了道路。在过去的二十年中,由于制造技术,材料,控制和成像等方面的重大进步,微机械研究领域得到了长足发展。

  当前的微型机器人大多只能到达可以观察到或相对容易接近的组织(例如胃肠道)。如何让微型机器人克服黏滞力,到达体内深处,并在人体复杂环境中实现精准操控,是靶向药物精准输送研究面临的重大挑战。

  白细胞是血液中唯一有活跃移动能力的细胞,能够进入血管周围组织内,并在其中游走。受此启发,德国马克斯普朗克智能系统研究所的科学家以白细胞为模型,成功开发出一款微型机器人,其大小,形状和活动性与白细胞相似。在实验室模拟血管的环境下,可以携带抗癌药物,在人工操纵下较快地进行有目的的运动。

  该机器人直径约8微米,由微小的玻璃颗粒组成,镍金材料制成的磁性纳米膜覆盖在球形微型机器人的一侧,可以发现癌细胞的特殊分子作为癌症药物附着在另一侧。在模拟血管中,研究人员成功操纵微型机器人快速运动,运动速度可达每秒600微米,大约是其体长的76倍。

  论文第一作者尤努斯阿拉潘博士说:“借助磁场,我们的微型机器人可以在导航控制下逆流穿过模拟血管,由于血液流动和密集的细胞环境,这是一个挑战。此前还没有类似微型机器人能够承受这样的流体。

  但是我们做到了!此外,我们的机器人还可以独立识别它们感兴趣的细胞,例如癌细胞。它们之所以可以这样是因为我们用细胞特异性抗体包裹着它们。这样就可以在运动中(精准地)释放药物分子。”

  不过,目前这种微型机器人还没有在人体中进行过测试。参与研究的博士生乌古尔博祖尤克(Ugur Bozuyuk)说:“在医院中,当前成像方法的分辨率还不够高,无法对人体中的单个微型机器人进行成像。

  此外,考虑到微型机器人(大约10微米)和器官组织(数千微米)之间的大小差异,单个微型机器人可以携带的载药量显然也不够。人们必须能够在一个群中一起操纵多个微型机器人,以获得足够的效果。我们离此还有很长的路要走,这仅仅是个开始。”

  微型机器人的项目负责人、马克斯普朗克智能系统研究所物理智能部主任梅丁西蒂教授表示:“我们的愿景是创建用于微创及靶向药物输送的下一代运输工具,它们可以(像白细胞一样穿过血管)进一步渗透到体内,使难以到达的区域更容易被接近。”

  该中心研究人员研制了一种具有抗菌、抗毒、抗炎和组织修复能力的“三抗一修”间充质干细胞。目前,该细胞已完成动物实验。未来,这种新型间充质干细胞有望成为治疗脓毒症的杀手锏。相关成果发表在美国《分子治疗》杂志上。

  脓毒症是一种由细菌或者病毒感染所致的过度炎症反应综合征,是危重病急救医学感染患者晚期死亡的主要原因,目前尚无有效的治疗手段。当脓毒症患者接受大剂量抗生素治疗时,抗生素在杀灭病原菌的同时,死亡的病原体会释放超量的毒素和细菌DNA,这些致病分子可进一步激发机体过度炎症反应,导致多器官功能障碍而加速患者的死亡。

  “如何在杀菌的同时,中和毒素成为脓毒症治疗的重要科学问题。”陆军军医大学陆军特色医学中心干细胞与再生医学科主任徐祥说,过往的研究中,单一针对脓毒症发病机制中某一关键介质或者调控环节的治疗措施均未能获得令人满意的临床治疗效果。

  为此,研究人员设计了具有抗菌、抗毒、抗炎和组织修复能力的间充质干细胞。在脓毒症模型小鼠治疗中,新型间充质干细胞可显著降低主要器官细菌载量和血清炎症因子,显著提高血清中内毒素清除能力、组织修复能力和小鼠生存率,特别是耐药性金黄色葡萄球菌感染的小鼠生存率由20.7%提高到56.7%。

  徐祥表示,研究团队后期将进一步开展新型间充质干细胞移植治疗脓毒症的临床转化研究工作,若能有效将此策略应用于重症脓毒症的临床治疗,将极大提高脓毒症的临床治疗疗效,或可改写多重耐药、无药可控的现象。


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