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吃下这个小东西,就能药“到”病除?

编者按:

常规的药物递送如打针、吃药等,都是由药物分子或载体随血流等生物流体扩散来进行药物递送的。这种方式递送效率低下,且毒副反应比较重。因此,如何构建新型主动药物运输的“渠道”,成了当前的研究热点之一。于是,纳米机器人诞生了。

今天,我们共同关注纳米机器人。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

① 纳米机器人

传统的药物治疗,比如癌症化疗药物,可能包含有毒化合物,会无差别地损伤健康组织。纳米机器人则可以规避这一问题,因为在药物被运送到靶点之前,其可以“保护”药物。没错,设计纳米机器人的目标正是为了将正确剂量的药物运送到身体的任何部位,且不造成副作用。

为了实现这一目标,纳米机器人通常由无机元素或材料与生物成分(如细胞、蛋白质或 DNA)共同组成。

苏黎世联邦理工学院机器人和智能系统 Bradley Nelson 教授说:“在机器人领域,我们看到材料学家和生物学家与我们的合作比过去更加密切,这是有充分原因的。我们对卡脖子问题有更深入的了解,比如基于壁虎脚及其对范德华力利用原理的新粘合剂,或基于鞭毛细菌运动原理的螺旋状微机器人。”

纳米机器人可以使用静脉注射或口服等递送方式,进入机体,开始它们的新旅程。它们可以利用精明的生物伪装机制到达疾病源头,并在完成任务后,安全地进行自我降解。

② 将药物运送到靶点

到达机体各部位的最佳途径是“驶入”循环系统的高速公路:血管。但对纳米机器人来说,这趟旅行并不轻松,因为在血管内有很多自由移动的细胞和其他成分,会阻碍机器人的移动。

位于德国斯图加特的马克斯-普朗克智能系统研究所的研究人员创造出了“microrollers”机器人,它们可以粘附在血管内壁上,甚至逆血流而上,并能在磁场的导航下畅游血管。microrollers 的一面涂有磁性材料,用于控制体内移动,另一面涂有抗体,用于识别肿瘤细胞。

我们机体的每个部分都对机器人提出了独特的挑战。普渡大学的研究小组已经成功在老鼠和猪的结肠中测试了一种生物机器人。这个旋转机器人由磁场控制,并配备了聚合物涂层,使有效载荷在到达靶点之前不会作用于其他器官。

磁力一直是将纳米机器人导向靶点的最流行方式。苏黎世联邦理工学院的衍生公司 MagnebotiX 为从事该领域工作的研究人员开发了磁场发生器和微电磁制剂。

其他可以移动机器人的外力也已被应用,比如声音、电力,甚至微生物如细菌,利用它们在生物环境中游动并找到有利条件的趋化能力。DNA 折纸术也被用来创造纳米机器人,这些机器人可以携带有效载荷,并在找到目标时释放。甚至免疫细胞和精子细胞也被用来作为生物机器人的驱动源。后者被俗称为精子机器人,由于其在女性生殖系统中的自然运动能力,为解决宫颈癌和妇科问题提供了优势。

③ 最艰难的任务:到达大脑

大脑是我们机体内最难到达的地方。为了突破这一点,纳米机器人需要穿过血脑屏障,它是一种选择性极强的生物防御,只允许一些营养物质和分子通过,并能把病原体挡在外面。

Nelson 说:“有研究使用超声波来穿越血脑屏障,但这也不能完全、轻松地将药物引导穿越屏障。超声波会提供一些优势,但你仍然需要在正确的时间将药物送到正确的地方。而这是建立在你有正确的药物,并能以某种方式将其附着于纳米机器人的前提之上的。”

尽管障碍重重,这一领域也已经取得了不错的进展。为了治疗脑癌中的胶质瘤,中国哈尔滨工业大学的科学家们设计了“中性粒细胞机器人”,它可以进入小鼠的大脑中并阻止肿瘤细胞的生长。该团队将癌症药物紫杉醇装入磁性纳米凝胶中,该凝胶可以通过隐藏在中性粒免疫细胞内来穿过血脑屏障。

④ 药物输送纳米机器人的未来

在未来,纳米机器人可能会整合各式各样的杂合结构、细胞和组织类型、DNA 链和蛋白质等组成部件,以及一系列可使它们对不同的病原体具有敏感性的机制。它们还可能纳入运输营养物质的血管网络,以及感知和处理信息的神经网络。

这一研究领域的分支之一是创造出异种机器人:由不同类型的细胞组成的活体机器人,比如用于移动的肌肉细胞和用于与环境互动的皮肤细胞。

塔夫茨大学生物学教授兼艾伦探索中心主任 Michael Levin 说:“这种活体机器人比其他纳米机器人聪明得多,因为它们是皮肤细胞制成的。现在我们已经拥有了基于皮肤细胞的传感元件、分泌元件、计算元件,这些本来全部需要从头创造的功能,早已内嵌在细胞内。”

虽然第一批异种机器人是用青蛙细胞制造的,但在未来,也许人类细胞也将成为一种机器人的原料。Levin 说:“异种机器人一旦由人类细胞制成,在肠道和其他机体内空间中应用效果将非常理想。它们不会穿越血脑屏障,但可以智能识别伤口、特定化学信号以及癌细胞等。”

由于单个纳米机器人不能携带足够的药物来治疗疾病,研究人员还试图了解它们如何能以集体的形式移动。它可能是数百个、数千个,甚至数百万个,这取决于靶标。

Nelson 说:“蜂群机器人技术具有稳定性优势,因为不需要所有的机器人都运行成功。而且,它允许每个机器人携带较小的有效载荷,并通过组合的方式实现足量的有效载荷,以完成任务。”

使用纳米机器人进行药物输送仍处于研究的起步阶段。纳米尺度的制造面临着制造、集成以及与复杂的生物环境互动等问题。Nelson 说:“一些团队正朝着纳米机器人的药物运输方向努力,但我认为我们也需要调整策略使其逐渐进入临床。这个领域并不是一项研究就可以解决全部问题。”

该领域的科学家仍有许多挑战亟待解决,如生物机器人的寿命有限,缺乏智能感知,以及缺乏实时跟踪纳米机器人的成像技术。另外一个挑战是,免疫系统可能会在它们释放载药之前就将其标记为需要清除的威胁。为了解决这个问题,科学家们正在研究不会在我们身体内引发免疫反应的材料。

克服了这些障碍后,人类可以获得由智能生物活体机器人组成的军队,拥有适应性的技能来对抗目前的方法无法治愈的疾病。

Levin 说:“由于众多的健康问题和医疗保健方面的差异,全世界正遭受大量的痛苦。这不能用传统的医疗方法来解决,而是需要真正的再生医学。”

原文链接:

https://www.labiotech.eu/in-depth/nanobots-drug-delivery/

作者|CARLOS DE ROJAS

翻译|Johnson

审校|617

编辑|豫小鱼