Nat Mach Intell | 人工微管"驱动蛋白"精准瞄准肿瘤给药

原创 存在一棵树 图灵基因 2022-08-26 21:34 发表于江苏

收录于合集#前沿分子生物学技术

撰文：存在一棵树

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亮点：

开发了一种磁性微纳米机器人，人工微管，实现了沿微血管逆流而上将大量药物精准、快速递送至肿瘤内部。

2022年7月21日，苏黎世联邦理工学院机器人与智能系统研究所的Bradley J. Nelson教授联合宾夕法尼亚大学Arnold J. T. M. Mathijssen的研究团队在《Nature Machine Intelligence》发表了一篇名为“Artificial microtubules for rapid and collective transport of magnetic microcargoes” 的文章。该团队研发了磁性的人工微管，可在复杂的体内环境里快速可靠地传输磁性微纳米机器人，未来还可能通过微血管，实现早期肿瘤更准确的药物递送。

微型货物的定向运输对于生物体以及微型机器人、纳米技术和生物医学的应用都是必不可少的，但现有的技术往往受到低速且有限的导航控制以及心血管流动分散的影响。如图1所示，体内大器官中的物质运输必须在扩散和对流之间架起桥梁，同时克服粘性耗散和非平衡效应，为此机体进化出一种特别有效的运输机制：分子运动蛋白沿着细胞骨架微纤维的自组织运动；受细胞骨架运输的启发，本文团队提出了一种使用结构化磁性微纤维传输磁性微货物的策略，他们称之为人工微管（AMT）。

如图2所示，磁性微货物沿 AMTs 外部主动向前推进。其制造原理是将一维磁性板阵列使用光刻和电镀工艺嵌入非磁性纤维；这些嵌入的镍板，被称之为垫脚石，具有低矫顽力，可被外部旋转磁场动态磁化；因此，其可在纤维表面上产生大的局部磁场梯度，从而为行走的磁性微型机器人提供锚定点，以减轻外部流动或波动的扩散。

该团队还系统地测试了磁性微货物在相同粘性液体(99% 甘油)、不同的磁场强度以及不同频率下的运动速度，也检验了其在有外部流体流动的情况下是否能够顺利进行逆行运输。如图3所示，他们证明了AMTs 和磁性微货物之间的强磁作用允许其在微尺度下进行高速运输，且当其在如水一般的低粘度介质中，磁性微货物的运输速率将增加；且即使在具有强力的外部流体流动下，AMTs 也能够将磁性粒子固定在位置上并将其逆流运输。

最后，如图4所示，该团队观察到微粒子会沿着 AMT 发生自组装并伴随着组装后的整体运输。由此，他们想到了利用AMT进行超顺磁性复合微粒组装，即通过施加外部磁场，使粒子被吸引到踏脚石上；由于局部磁场梯度，这些粒子会自组装成簇，并在装配过程中募集周围所有粒子，使其积累在AMT 附近；当其达到临界尺寸时，在旋转磁场模型的作用下，微粒簇沿着AMT不断前进，并在靶区高浓度聚集。

这里，该团队畅想了AMTs可能会应用到的场景。如图5所示，利用直径约0.5毫米的微导管插入至血管末端；然后将直径0.05毫米人工微管沿导管推出，借助外加磁场，将其引导至通往目标肿瘤的小血管分支处；随后，在磁性驱动下，利用微纳米载药机器人沿着人工微管一路到达目标肿瘤，最终实现肿瘤定点快速给药。

综上所述，AMTs 为在复杂生理条件下快速、限制和引导运输磁性微货物提供了一种生物启发策略。他们克服了管状导管计数器和自由游动微型机器人的内在局限性，为稳健和精确的药物输送开辟了机会。在未来，它们可以与现有技术相结合，将AMT引导出微导管，从而可以到达更窄的微血管通道。

教授介绍

Bradley J. Nelson，自2002年以来一直担任苏黎世联邦理工学院的机器人和智能系统教授。他曾在伊利诺伊大学和明尼苏达大学学习机械工程，在霍尼韦尔担任计算机视觉研究员，在摩托罗拉担任软件工程师，在非洲博茨瓦纳担任美国和平队志愿者，然后在卡内基梅隆大学获得机器人博士学；在加入ETH之前，曾是伊利诺伊大学芝加哥分校的助理教授和明尼苏达大学的副教授。Nelson教授的研究重点是微机器人和纳米机器人，或者说，其对如何制造毫米到纳米尺寸的微型智能机器感兴趣。其所在实验室，多尺度机器人实验室（MSRL）的主要研究内容是利用先进的机器人技术来创建在微米和纳米尺度上运行的智能机器。

参考文献

Gu, H., Hanedan, E., Boehler, Q. et al. Artificial microtubules for rapid and collective transport of magnetic microcargoes. Nat Mach Intell (2022).