作者:蔡林涛等 来源:《科学进展》 发布时间:2023/2/23 19:38:39
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“纳米快递员”通过EMS实现远程精准递药

 

在好莱坞电影《奇妙旅程》中,为了救治病人,外科医生可以缩小为一百万分之一,进入人体内进行血管手术。

如今,科幻照进现实,随着智能时代的到来,能在微观尺度执行任务的微纳机器人因其在药物输送、微创手术、医疗诊断、治疗等方面的应用受到广泛关注。

北京时间2月23日,一项发表于国际学术期刊Science Advances的研究介绍了一种双引擎、自适应的酵母微纳生物机器人,它能够像“纳米快递员”一样,通过生物酶与巨噬细胞引擎的切换(Enzyme-Macrophage-Switching,EMS),穿透人体多重生理屏障,实现将药物精准递送到远程炎症病灶。

论文截图

中国科学院深圳先进技术研究院医药所纳米医疗与技术研究中心蔡林涛研究员、潘宏副研究员和郑明彬博士为通讯作者,中国科学院大学博士生张保珍为第一作者;深圳先进院为论文第一单位。

具备“双引擎”的微纳机器人

具有自我推进和导航能力的微纳生物机器人因其可以到达现有医疗器械难以企及的微观区域,有望实现疾病的精准诊疗,革新传统医学,因此受到广泛关注。

然而,由于人体内存在多重生理屏障,开发能够适应微环境的变化,并将药物精准递送到远程病灶的微纳生物机器人仍然具有挑战性。不仅如此,微纳生物机器人必须具备超高的安全性,才能运用在人体环境中。

生物酶驱动的微纳生物机器人以体内的生物相容性底物(如葡萄糖、尿素)为燃料,在药物递送领域应用前景广阔。

“其中,酵母微囊是可食用酵母益生菌的细胞壁成分,它是一种天然、中空、多孔可以负载多种纳米药物的微球,可以靶向巨噬细胞,这引起了我们的兴趣。” 论文共同通讯作者潘宏介绍,具有炎症趋化性的巨噬细胞也是一种天然的细胞引擎。

“我们发现酵母微囊经口服后,可以被肠道内的巨噬细胞内吞,而肠道内天然存的葡萄糖浓度梯度提示我们可以利用级联驱动机器人的运动。”

进一步地,研究团队以酵母微囊为活性材料,通过将葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶偶联在包裹纳米药物的酵母微囊表面,制备了具有不对称结构的酵母微纳生物机器人(TBY-robot)。

极大降低炎症反应

验证表明,TBY-robot经过口服后,能够利用肠道内天然的葡萄糖浓度梯度穿透黏液屏障,通过肠上皮微褶皱细胞跨过肠上皮屏障,在派尔氏结内自行切换为巨噬细胞引擎,进而利用巨噬细胞的炎症趋化性,经过淋巴循环和血液循环,精准的将药物递送到远程炎症部位。

酵母微纳生物机器人通过EMS实现远程精准的炎症病灶递药 来源:科研团队供图

简而言之,TBY-robot就像“纳米快递员”,派尔氏结类似于“中转站”,通过切换不同的交通工具,将药物精准的递送到炎症区域。

论文通讯作者蔡林涛研究员介绍,在小鼠结肠炎模型和胃炎模型中的结果显示,TBY-robot能够提高炎症部位的药物富集约1000倍,极大的降低了炎症反应并缓解了疾病的症状。这意味着TBY-robot能够通过EMS策略,将更多的药物主动靶向递送到炎症病灶。,

当前,微纳机器人仍存在制备方式复杂、动力系统有限等问题,与合成生物学相融合才能创新发展。论文通讯作者蔡林涛表示,该研究成果为胃肠道炎症的治疗提供了新的技术手段,也为治疗其他炎症疾病提供了全新的思路。

“酵母微纳生物机器人具有优良的生物相容性,且可以作为天然的纳米药仓,将不同形式的药物精准的递送到炎症病灶。”蔡林涛介绍,炎症与许多疾病密切相关,包括癌症、肥胖、糖尿病和脑退行性疾病等,团队目前已经申请相关发明专利5项,将进一步扩大双引擎酵母机器人的应用范围。(来源:中国科学报 刁雯蕙)

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/sciadv.adc8978

 

 
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