Advanced Functional Materials:磁控光合螺旋藻微纳机器人-原位产氧促进肿瘤放疗-光动力联合治疗

随着微纳米技术和机器人学的不断进步,微纳机器人逐渐走向人们视野。微纳机器人指的是尺度介于微纳米级别,可以对微纳空间进行精细操作的机器人。由于其具有灵活运动、精确靶向、药物运输等能力,在疾病诊断治疗、靶向递送、无创手术等生物医学领域具有广阔的应用前景。然而现阶段针对微纳机器人的有关研究大多聚焦在体外,在体内治疗应用的更多预期功能仍然具有极大的挑战性。鉴于此,浙江大学医学附属第二医院/转化医学研究院周民课题组利用了一种光合杂化的类生命微泳体微纳机器人,以微藻作为活体支架,“穿上”磁性涂层外衣,靶向输送至肿瘤组织,成功改善肿瘤乏氧微环境并有效实现磁共振/荧光/光声三模态医学影像指导下的肿瘤诊断与治疗。

肿瘤组织的微环境,尤其是肿瘤组织内部存在的乏氧微环境,是导致众多肿瘤治疗方法出现耐受现象的重要原因之一。特别是在临床上常用的放射性治疗中,氧气参与辅助电离辐射诱导的DNA双螺旋结构的损伤,促使细胞凋亡,缺氧会影响放疗效果从而导致肿瘤细胞的耐受性。因此,如何有效减轻或逆转肿瘤的乏氧状态,是增强放射性治疗效果的重点研究内容。浙江大学周民课题组通过对天然螺旋藻进行磁性表明修饰合成磁控光合作用微纳机器人,靶向输送到肿瘤组织。通过原位光合作用产氧调节肿瘤乏氧环境,进而利用放疗后螺旋藻内部叶绿素释放,实现多模态医学影像引导下肿瘤放疗-光动力联合治疗。

本文设计的光合生物杂交微纳泳体系统(PBNs),即将超顺磁性的四氧化三铁纳米颗粒(Fe3O4 NPs)通过浸涂工艺,均匀涂层至光合微藻-螺旋藻(Spirulina platensis)表面,得到生物杂交的磁化微纳泳体。这种杂交系统同时保持了微藻高效的产氧活性以及Fe3O4纳米颗粒的定向磁驱能力。磁性工程化PBNs能够在外部磁场控制下,靶向运动并积累至肿瘤,通过光合作用原位产生氧气来减轻肿瘤内部乏氧程度,从而提高放射疗法(RT)的效率。同时,经射线处理后PBNs释放的叶绿素能作为光敏剂,在激光照射下产生具有细胞毒性的活性氧(ROS),实现协同光动力治疗(PDT)。在小鼠的原位乳腺癌模型中,经增强的联合治疗展现了明显的肿瘤生长抑制作用。此外,PBNs除了具有Fe3O4涂层带来的优异T2模式磁共振成像功能(MRI)外,还具有基于叶绿素的天然荧光(FLI)和光声成像(PAI)功能,可以无创性地监测肿瘤治疗情况和肿瘤微环境变化。更重要的是,该微纳泳体本质作为天然生物能够在体内得到有效降解,为生物杂化材料应用在靶向递送和体内生物医学中提供了转化前景。

相关工作在线发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.201910395)上。