基于藻类的抗肿瘤微型机器人

在癌症的进展过程中，实体肿瘤通常在营养和氧气缺乏的区域生长。血管的结构异常和肿瘤的高增长率导致那些远离血管的细胞常处于一种缺氧或低氧水平。

肿瘤内的缺氧环境使得一些依赖于生成活性氧（ROS）的放疗、光动力治疗和化疗等疗效降低。这主要是因为这些治疗方法依赖于肿瘤细胞中的氧浓度从而产生ROS——一种可以引起细胞损伤的分子氧高度活性衍生物。

美国斯坦福大学医学院放射学系乌特坎•德米尔奇（Utkan Demirci）教授带领团队通过一种名为“Volbots”的生物混合微型机器人改变了肿瘤部位的环境，这种机器人可以缓解缺氧，从而提高癌症治疗的疗效。

Demirci说：“我们以Volbots作为肿瘤原位微型产氧工厂，解决癌症缺氧的问题。”之前的科学家们已经尝试过多种改善肿瘤缺氧的策略，包括使用微/纳米载体携带红细胞、血红蛋白和纳米气泡等，然而最终都表现为氧负载能力不足。

生物混合微型机器人包括生物部件和人造部件。虽然机器人的“生物部分”通常提供移动能力，但科学家可以通过增加额外功能来执行一些特定的功能，例如在体内释放药物来治疗癌变组织。

Demirci的团队使用团藻（Volvox algae）设计了他们的生物混合微型机器人，因这种藻类作为动力部分，所以机器人由此命名。它们可以通过体表数千个被称为鞭毛的毛发状突起的同步运动而移动。Demirci说：“团藻还有其他特征，比如它们天生的感知能力使它们能够向光源移动，以及可以通过光合作用产生氧气。”

团藻的扫描电镜图片（绿色伪彩）

和其他藻类一样，团藻利用叶绿素吸收光能。当暴露于红光时，它们表现出更高的光合活性和氧气产量，也正因如此，Demirci团队利用红光调节肿瘤细胞中藻类产生的氧气浓度。

Volbots的外表面设计有磁纳米颗粒，使得该团队可以利用外部磁场引导其运动。这些纳米颗粒还可以通过磁共振成像（MRI）和光热成像进行检测，使科学家能够很容易地在体内对其进行追踪。Demirci解释说：“生物混合微型机器人上的纳米颗粒也可以携带药物，并在暴露于近红外光下时产热，而这可以用于光热疗或控制药物的释放。”

该团队在肿瘤靶向治疗前首先通过检测体外产氧的能力对Volbot进行了评估。Demirci说：“我们在动物模型中对Volbots进行了试用，结果发现经治疗的小鼠肿瘤体积缩小了。”他们的结果证实了团藻能缓解小鼠肿瘤缺氧。

在他们的研究中还发现，使用Volbots进行治疗没有明显毒性。然而，藻类的清除和释放机制仍存在一些挑战，而这必须在临床使用之前进行进一步的研究。

该团队在论文中写道：“尽管在目前的平台上优化临床转化途径有很多方法，但这种多功能的生物混合策略可能为生物辅助机器人的设计提供一些新的途径，之后将其用于生物医学、治疗和肿瘤成像和其他疾病。”

WILEY

参考文献：Utkan Demirci, et al., Volbots: Volvox Microalgae-Based Robots for Multimode Precision Imaging and Therapy, Advanced Functional Materials (2022). DOI: 10.1002/adfm.202201800

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