微纳生物机器人-吲哚菁绿 | 通过顺序磁驱动和光学触发用于靶向癌症治疗

染料技术 化学技术
尹教授    2021-01-15    711

研究进展:生物活性微机器人是下一代治疗(如主动靶向货物递送)和人体微操纵应用的有前途的候选物,有可能在复杂的生物流体和器官组织中被远程推进和操纵。一种独特的磁驱动和光学触发的生物微机器人正在研制,用于积极靶向治疗癌症。通过整合纳米杂交体,生物活性微机器人可以作为智能药物输送载体,可增强病理部位的纳米医学矢量化,在趋化性或趋磁性等各种刺激信号下移动到目标区域。然而,复杂的生理障碍、遥控导航、实时运动跟踪和诊断/治疗效果的结合对于应用和翻译来说是巨大的挑战。各种细菌已被证明能够在体外和体内进行基于趋化性的自我引导,其中海洋磁球菌菌株(AMB-1)因为体内的磁小体易受外部磁场的影响,可以自主操纵到肿瘤部位,是有潜力作为智能生物杂交微型机器人的候选菌。

解决方案:本文开发了一种生物杂交微型机器人,由可动的AMB-1和光触发的吲哚菁绿纳米粒子INPs耦合组成,磁螺磁AMB-1通过内部缺氧驱动效应和外部施加的磁场提供自主游向肿瘤部位的能力,而吲哚菁绿纳米粒子,用作荧光成像剂和光热治疗(图1)。这些人工智能微型机器人在外部磁场的作用下,沿着描绘字母“S”、“I”、“A”和“T”的轨迹运动,证明它们有能力被操纵以增强抗肿瘤的效果(图2)。纳米光敏剂作为载体粒子在血液中循环,由具有磁厌氧行为的趋磁细菌AMB-1运输,然后在肿瘤中富集。同时,利用荧光和磁双模成像技术可以实时监测人工智能微机器人在体内的分布情况。

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1. 通过Michael加成反应,将纳米光敏剂INPs轻松涂覆在磁螺菌AMB-1上,制备了按需可控的人工智能微机器人
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随后,一个装满人工智能微型机器人的硅胶管被用来创建字母“S”,“I”,“A”和“T”模拟复杂的组织。近红外激光照射后,AI微机器人解决方案展现了光学触发的灵敏度,实现了大规模热疗(温度超过50 ℃)。基于此作者评估了人工智能微机器人在体内磁操作后激光触发的抗肿瘤效果。静脉注射人工智能微机器人后,荷瘤小鼠继续接受梯度200 mT磁铁治疗12 h。随后接受激光照射。通过红外热图像可知,对于INPs组或AI组,肿瘤的温度只升高到42 ℃或47 ℃,并没有破坏肿瘤。由于AMB-1驱动的缺氧靶向和磁辅助积累,AI+M微机器人在激光照射后诱导的最高温度达到58 ℃,成功地消融了肿瘤细胞(图3)。因此,纳米工程生物微机器人可以被精确地操纵来治疗体内难以获得的疾病。它为合成新的靶向治疗、成像和诊断载体提供了机会,以增强各种纳米载体或药物的递送和疗效。

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3. A)由字母“S”、“I”、“A”、“T”组成的人工智能微机器人解决方案近红外激光激活热图像;(B)磁控后的肿瘤光控根除人工智能微机器人治疗方案示意图;(C)静脉注射人工智能微机器人后,荷瘤小鼠激光照射后的红外热成像。

总结:作者将磁驱动的AMB-1和光触发的INPs结合,开发了一种生物混合人工智能微机器人系统,该系统可以通过顺序磁光传导/缺氧双驱动实现对肿瘤的有效靶向消融。这项研究开发的策略将为自主生物微型机器人的设计和制备提供新的方法。

参考文献:Mingbin Zheng, Lintao Cai. et al. Sequential Magneto-Actuated and Optics-Triggered Biomicrorobots for Targeted Cancer Therapy. Adv. Funct. Mater2020, 2008262.


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