Small :用于肿瘤靶向治疗的细胞机器人

微/纳米机器人被认为是一种很有前途的智能给药平台,目前被广泛用于肿瘤的靶向治疗。即使在血管系统、肠道、肿瘤和膝关节软骨等复杂环境中,它们也能被驱动到达目标部位。为了制造具有生物相容性与可降解性的微纳米机器人,研究者们相继开发出了细胞膜包覆的机器人、基于细胞的机器人等。而其中基于巨噬细胞的机器人在肿瘤的靶向治疗方面特别有效,因为它们与患者具有同源性,具有良好的生物相容性,而且它们具有天然的吞噬作用、肿瘤趋向性和深入肿瘤的能力,这些特性使它们成为肿瘤靶向治疗药物的最佳运输工具之一。

北京航空航天大学机械工程与自动化学院冯林副教授、陈华伟教授团队以巨噬细胞为模板,制造加工出功能化的“细胞机器人”(MCRs),实现了对肿瘤的靶向治疗。文章被选为封面进行亮点报道(Front Cover)(图1)。

图1 细胞机器人封面图

该细胞机器人利用巨噬细胞的内吞作用,将由磁性纳米粒子、阿霉素和吲哚菁绿等组成的颗粒富集到细胞内部,组成细胞机器人,以提高载药效率并可以被外界磁场驱动(图2)。在外磁场的作用下,该细胞机器人可以被精准控制到达靶向位置。在外界近场红外的作用下,药物阿霉素得到释放,并在靶向位置对肿瘤进行杀伤。因此该细胞机器人系统可以转化成优良的临床药物输送平台,并在肿瘤靶向治疗中发挥巨大的作用。

图2 细胞机器人的制作及肿瘤靶向治疗示意图

细胞机器人内部的磁性纳米颗粒赋予了细胞机器人可以被外部磁场驱动的能力,因此利用定制的磁场系统可以对细胞机器人进行精准的运动控制、穿越复杂迷宫,并且可以靶向控制到目标位置(图3)。为进一步的靶向肿瘤治疗提供了可行方案。

图3 细胞机器人的控制过程

由于细胞机器人所携带的纳米颗粒含有阿霉素成分,并且可以在近场红外的刺激下释放,因此可以利用荷瘤小鼠研究磁控制下MCRs的靶向治疗效果(图4)。首先通过尾静脉注射将细胞机器人注射进小鼠体内,随后在肿瘤部位施加磁场,将细胞机器人控制到目标位置。通过近场红外照射,将药物释放出来,从而实现对肿瘤的靶向杀伤。由于生物安全一直是微/纳米机器人在体内应用的最大障碍,通过测量小鼠的全身毒性,来研究MCR的生物安全性。MCR治疗组和非治疗组血常规参数无显着差异,此外,在肝脏或其他器官中也未观察到病理变化,证明了细胞机器人的生物安全性。

图4 细胞机器人的肿瘤杀伤实验及安全性评估

通讯作者简介

冯林,北京航空航天大学“卓越百人”副教授/博士生导师,2019年入选北京市“科技新星”,2021年成为IEEE国际微纳米机器人技术委员会委员,北航歌尔研究院智能制造中心副主任,中国机械工程学会生物制造工程分会副主任委员,中国医药生物技术协会3D打印技术分会生物材料副组长。国际学术杂志Science合作刊物Cyborg and Bionic Systems以及国际学术杂志Bioengineering的副编辑,并多次担任国际机器人自动化大会(ICRA,IROS)副编辑。近年来在Small, Lab on chip, APL, Advanced intelligent systems以及机器人顶刊IJRR等期刊发表SCI论文50余篇,并被多次选为封面文章报道。

陈华伟,北京航空航天大学机械工程与自动化学院教授/副院长,入选或获得万人计划领军人才,杰青项目,第三届科学探索奖等。主要从事研究仿生功能表面、微/纳米加工和微/纳流体,在Nature, Nature Materials, Advanced Materials, Advanced Science, Small, Angew. Chemie, ACS Applied Materials & Interface等期刊发表论文80余篇。

第一作者简介

戴玉国,北京航空航天大学机械工程学院硕士毕业,现为日本东京大学博士在读,目前在北航冯林课题组进行合作研究。

白雪,现在北京航空航天大学机械工程及自动化学院冯林课题组从事博士后研究。研究方向为微纳机器人的设计制造及其生物医学应用。主持博士后面上基金一项,近年来在以第一作者在Small, Nanoscale, Lab on chip, IJMS等国际期刊上发表多篇论文。

贾丽娜,现在北京航空航天大学机械工程及自动化学院冯林课题组从事博士后研究。研究方向为用于靶向递送药物的微纳机器人。近年来在Nature Communications, Small, Nanomaterials等国际期刊上发表多篇论文。

论文信息:

Precise Control of Customized Macrophage Cell Robot for Targeted Therapy of Solid Tumors with Minimal Invasion

Yuguo Dai, Xue Bai, Lina Jia, Hongyan Sun, Yanmin Feng, Luyao Wang, Chaonan Zhang, Yuanyuan Chen, Yiming Ji, Deyuan Zhang, Huawei Chen*, Lin Feng*

Small

10.1002/smll.202103986

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202103986