十年磨一劍，游動微納機器人迎來重要進展！哈工大科學家研制可向****物精準釋放靶向膠質瘤的微納機器人

談及最近剛發表的論文成果，2019 年 “35 歲以下科技創新 35 人” 獲得者、哈爾濱工業大學教授吳志光告訴 DeepTech。


3 月 24 日，由哈工大微納米技術研究中心博士生導師賀強、和吳志光擔任共同通訊作者、該校 2016 級博士生張紅玥擔任第一作者的論文，以《雙響應生物雜化中性粒細胞機器人用于主動靶向遞送》（Dual-responsive biohybrid neutrobots for active target delivery）為題在線發表于《科學機器人》（Science Robotics）上，本次研究首次實現了游動微納米機器人治療腦膠質瘤。
研究中，吳志光研發出一款游動微米機器人，其組成主要包含天然中性粒細胞、大腸桿菌細菌膜、****物以及磁性材料的水納米水凝膠，整體結構呈現層疊狀。因其具有額外的自推進游動能力，因此可把****物主動游動到腦膠質瘤區域。

“這個故事可能有點長”
關于機器人結構的由來，吳志光說 “這個故事可能有點長”。

常規的****物遞送如打針、或吃****，都是****物分子、或載體在血液等流體中擴散進行的，這些****物分子或載體隨血流等生物流體的擴散，存在著無法控制自己順利到達病患區域的問題。
而只有流到病患區域，才有一定機會與病患細胞、或組織發生反應并進行治療，因此這種遞送方法非常被動。
自 2004 年起，業內就已發展出多種化學和外物理場（光電磁熱等）驅動的游動微納米機器人，這些機器人可在水中進行高效游動，但是人體體內環境非常復雜不僅僅是水，尤其人體內有多種生物屏障，這些生物屏障可以保護人體免遭外源細菌和病毒的侵入，但也阻礙著機器人向病患區域的****物遞送。
早期的游動微納米機器人，基本都是基于微機電系統（MEMs）等構件，自身材料主要由金屬、金屬氧化物以及人造聚合物構成。

可以想象，這樣的微納機器人進入體內后，首先它不能降解，這無疑會增加很大的危險性；其次在于它們是人體外源物質，一旦進入體內就會激發免疫系統，免疫細胞會去攻擊它們，因此生物相容性比較差，這樣就是出師未捷身先死，還沒來得及開展生物醫學工作，就已經被人體免疫系統干掉。
為解決上述問題，他想到了天然細胞。一直以來，吳志光團隊都在研究基于天然細胞的游動微納米機器人，之前他曾開發出基于紅細胞的機器人，后來因為想利用其它細胞的生物能力，他就想到了中性粒細胞。
據悉，中性粒細胞是一種免疫細胞，它能自發地運動到發生炎癥的地方，還具備穿越血腦屏障等功能。
一開始，他的想法是制備一些載****的磁性粒子，然后讓中性粒細胞吞噬進去，結果發現外源磁場難以驅動游動機器人，主要是因為磁性粒子吞噬量太少，以至于磁性太弱。
研發微納尺寸機器人，首先要解決的是驅動問題，許多宏觀世界的驅動方法在微觀世界里卻難以實現。他曾表示：“比如你躺在浴缸里，感覺浴缸里都是水。如果縮小成納米尺度，你身邊就不是水，而是一種非常濃的糖漿，所以你無法打破時間對稱性的去實現運動。”
事實上，自然界有很多微納米尺度的物體都能實現游動，比如分子馬達、生物馬達、細菌、精子等，它們可通過在擺動過程中、產生的不對稱區域流體場，來實現向前運動。

基于上述原理，吳志光采用化學方法，將原子組裝成微納米的結構，在化學場、外光場和磁場下實現了可控游動，甚至可以引導它們游動到目標細胞。
研究中，他想到中性粒細胞喜歡吞噬細菌等外源物質，所以就在磁性載****粒子表面覆蓋了一層大腸桿菌細菌膜，從而讓這種粒子偽裝成大腸桿菌，這樣中性細胞就會提高對磁性載****粒子的吞噬量，不僅能實現在外源磁場下的驅動，還能維持****物在中性粒細胞內的穩定，防止****物在到達膠質瘤之前被泄露。

此外，本次研究還首次實現了游動微納機器人對膠質瘤的主動遞送，Science Robotics 也發表同期焦點文章介紹了本次成果。
膠質母細胞瘤（GBM）是最難有效治療的癌癥之一，中國的發病率及死亡人數均占全球首位，主要原因在于缺乏精準療法，而且由于血腦屏障、和血腫瘤屏障的存在，進入顱內腫瘤部位的治療途徑非常有限。
如何讓****物突破血腦屏障、實現****物的主動靶向遞送、提高****物對膠質瘤的療效，也成為膠質瘤醫療領域長久以來的瓶頸難題。
針對該難題，該團隊開發了上述基于體內免疫細胞的游動微納米機器人。
該機器人可有效穩定地攜帶紫杉醇等抗癌****物，依靠自主研發的控制系統，可將機器人引導到腦部區域。抵達腦膠質瘤區域的機器人，能自主感知病原信號、并穿越血腦屏障后游動到病患位點，最終將****物精準地釋放到病患處，從而顯著提高****物靶向效率。
一言以蔽之，本次成果是確立基于免疫細胞的游動微納米機器人、可作為潛在腦膠質瘤精準療法的標志性研究。

十多年研究成果集大成，高科技手段實現納米級別組裝
組裝納米級別的機器人，對于普通人來說簡直不敢想象，這要歸功于吳志光的博士研究生導師賀強。自吳志光博士畢業后，他就一直在賀強團隊工作。
2010 年，賀強建立了中國第一個游動微納米機器人研究團隊。在本次項目中，吳志光使用了化學可控組裝技術、細菌膜偽裝技術、細胞雜化技術、外源勻強旋轉磁場控制系統等技術，而這也是他們十多年來研究成果的大集成。

不過，吳志光也表示，醫療納米機器人目前尚處于研發試驗階段，還不能進入臨床實用，許多配套技術有待開發完善。
目前，游動微納米機器人集群在活體動物內的成像就還是很困難，第一是因為機器人尺寸過小，低于臨床醫療成像技術分辨率；第二是機器人與生物組織在生物影響下的對比度不夠大。
他認為本次機器人還有更高的提升空間，未來他們將開展更多的優化參數研究，以便提高療效。

美國未來學家、谷歌工程總監雷?庫茲韋爾曾預言說，“醫療納米機器人未來將會把人腦和云腦 (云計算系統) 連接起來，2030 年納米機器人就將定居在人體內，成為人機融合的一部分”。
對此吳志光評價稱，2030 年達到這樣的水平貌似還是有點難，2030s 以內勉強有戲。但他本人希望有一天能夠構建出游動微納米機器人的人造免疫系統，很多疾病如癌癥、HIV 等，較大程度上是人體免疫系統與疾病侵襲之間失衡導致的。
如果能在人體內構建游動微納米機器人集群，這些微納米機器人就可在人體內隨意游走、并進行實時控制治療疾病，屆時癌癥、HIV 等疾病就能像感冒一樣可被輕易治療。


目前，吳志光已經開展了針對具體疾病如膠質瘤的治療研究。下一步他將開展更多的臨床前試驗研究，比如豬和兔子等更大型的動物，為以后臨床試驗做準備。


未來他還將繼續開發游動微納米機器人的研究。概括來說，游動微納米機器人不僅針對膠質瘤，更是一個腦部治療平臺。在不久的將來，游動微納米機器人將能運輸更多診療****物，治療范圍也將拓展到癲癇、中風偏癱等其他腦部疾病。