使用Microswimmers光控药物输送到肿瘤细胞

马普研究所智能系统和马克斯·普朗克固体研究所开发有机微粒,可以通过生物体液和溶解血液引导以前所未有的方式。即使在非常咸的液体,可以高速向前推动microswimmers可见光,单独或作为一个群体。另外,部分生物相容性,可以吸收和释放货物。材料属性是理想所以他们可以铺平了道路设计半自治的微型机器人应用于生物医学。

科幻小说家不可能想出一个更疯狂的阴谋:微型机器人流通过血液或其他体液在我们的身体是由光,可以携带药物对癌细胞和减少药物。听起来像一个牵强的幻想,然而一个研究项目的简短的摘要发表在著名的《科学的机器人。中给出的microswimmers熊可能一天工作在生物体或生物环境中执行任务,否则不容易。再进一步讲,游泳有一天也许可以帮助治疗癌症或其他疾病。

在他们的论文中“Light-driven生物和离子氮化碳与推进microswimmers媒体和响应按需给药”,一组科学家马克斯普朗克研究所的智能系统(MPI-IS)及其邻近的研究所,马克斯·普朗克固体研究所(MPI-FKF),证明有机微粒,可以通过生物体液和引导溶解血液以前所未有的方式。即使在非常咸的液体,可以高速向前推动microswimmers可见光,单独或作为一个群体。另外,部分生物相容性,可以吸收和释放货物。MPI-IS,科学家们从物理情报部门领导参与梅丁·斯蒂MPI-FKF,科学家从纳米化学方面的部门由贝蒂娜Lotsch。

设计和制造等高度发达microswimmers直到现在似乎不可能的。光能量运动的阻碍的盐在水或身体。这需要一个复杂的设计,很难扩大规模。此外,从外部控制机器人是具有挑战性的,经常昂贵。控制货物吸收和现场交付是另一个领域的最高纪律纳米机器人。

科学家们使用一种多孔的二维氮化碳(CNx)可以从有机合成材料,例如,尿素。像太阳能电池的光伏面板中,碳氮化可以吸收光线然后提供能量来驱动机器人前进当光线照亮了粒子表面。

高离子耐受性

使用光作为能量来源的推进非常方便在培养皿中做实验或应用程序时直接在皮肤下,”菲利普Podjaski说MPI-FKF纳米化学方面的部门的组长。“只有一个问题:即使是微小的盐浓度禁止光控运动。盐存在于所有的生物液体:血液、细胞体液,消化液等。然而,我们已经表明,CNx microswimmers函数在所有生物液体——即使盐离子的浓度非常高。只有一种可能,这是一个有利的各种因素的相互作用:有效的光能量转换的驱动力,以及多孔结构的纳米粒子,它允许离子通过,减少阻力由盐,可以这么说。此外,在这个物质,有利于离子迁移率,使得光粒子更快。”

有显示游泳耐盐,然后解决挑战的团队使用它们作为药物载体。“这也有可能是由于材料的孔隙度、“Varun bloom解释道。他是一位博士后研究员MPI-IS和发表的第一作者。他和他的团队加载的小孔与抗癌药物阿霉素的游泳者。“药物像海绵一样,吸附粒子空前大量的载体面积的185%而保持稳定绑定到氮化碳——甚至超过一个月。然后我们表明控释药物是可能的液体酸性pH值。此外,我们能够照亮microswimmers从而释放药物,无论改变博士甚至当装载满负荷,游泳者没有显著放缓,这是伟大的。”

货物的能力释放药物控制和有效地在理想的目的地是一个挑战。当遇到酸性环境下,如发现在胃里,大量的药物迅速眠。然而,这通常遇到的pH值变化大的场景不是在身体的其他部位或在生物环境。因此,其他外部触发释放是必要的。

“我们发现,蓝色光的照明,使推进,同时释放药物,”Podjaski解释道。“这不是总是需要有针对性的应用程序中,药物的释放会发生粒子是推动。在这里,我们的新氮化碳的内在充电功能发挥作用了:当照明在氧气耗尽(缺氧)环境中,材料可以充电,积累光能量本质上,类似于一个太阳能电池我们早些时候报道。在缺氧条件下,即当粒子带电,吸附药物的交互修改,药物释放显著增加,使一个有效的行动细胞。因此,材料的光充电能力,由缺氧条件条件,突然变成了一个感应财产释放。”

团队在一个实验证明了这种交互与真正的肿瘤细胞。在他们的论文中,科学家们展示了他们照亮了阿霉素加载氮化碳粒子附近的癌细胞,药物的释放,被细胞,导致他们的衰变。

“我们的工作显示多少意外的潜力来自使用长,容易synthesizable,丰富和多孔微粒材料,通常用于在光催化中的应用,微型机扑材料,“说。梅丁·斯蒂

“多孔有机材料的性质在本质上使大量内部和表面区域,留下足够的空间供货物,同时克服限制光的推进,否则遇到的离子的存在。进一步调整分子网站可以让更多的货物相互作用控制,没有任何特殊的形状设计或就业的封装结构,难以控制。最后,使用环境敏感属性变更的想法影响光电材料属性,是由我们的材料的内在照片充电能力,似乎是一个有效的途径来设计不仅可控,贝蒂娜说:“还代理货运公司进行半自动Lotsch。

尽管microswimmers的未来,只会工作在最优的条件下,研究中的基础研究提出了对光控和生物相容性材料铺平了道路,以及智能半自治系统,应用程序还为其他技术。“我们希望激发许多聪明的头脑找到更好的方法来控制微型机器人和设计响应函数来造福我们的社会,”斯蒂总结道。

参考:bloom V, Podjaski F, Alapan Y, et al . Light-driven生物和离子氮化碳与推进microswimmers媒体和响应按需给药。科学。机器人。2022年。doi:10.1126 / scirobotics.abm1421

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