文│成昱 高芮

編輯│陳圓圓

審校│湯紅明

【據(jù)《Science Robotics》2019年7月報道】題：基于光聲斷層成像技術(shù)實時控制微型機器人在體內(nèi)腸道定向?qū)Ш剑ㄗ髡遉higuang Wu等）

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療機器人應(yīng)運而生并不斷趨于微型化。其中微/納米級機器人以其尺寸小、穿透深、可載藥等獨特優(yōu)勢引起廣泛關(guān)注，有望實現(xiàn)疾病診斷、靶向藥物遞送及精準(zhǔn)微創(chuàng)手術(shù)等生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。然而，由于缺乏高分辨率的實時影像導(dǎo)航及控制手段，微納機器人在機體深部進(jìn)行實時監(jiān)測定位、可控自主運動仍然是一大挑戰(zhàn)和難題。因此，迫切需要一種能精確控制、靶向運動、滯留時間長且可持續(xù)釋藥的微型藥物遞送系統(tǒng)。

來自美國加州理工學(xué)院的Zhiguang Wu等近期有了可喜的新發(fā)現(xiàn)，他們構(gòu)建了金包裹的Mg基腸道微米機器人，通過光聲斷層成像技術(shù)（PACT）引導(dǎo)，可以在體內(nèi)實現(xiàn)實時影像監(jiān)測、精確運動控制和藥物靶向遞送。在動物腸癌模型的治療研究中，使用該機器人已取得較好的治療效果。

這項研究主要解決了微米機器人在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的兩大難題：

一是成像，通過引入 PACT，研究者可實時追蹤微米機器人在胃腸道中的位置，實現(xiàn)高分辨率和高對比度的光聲成像和定位；

二是控制，一旦微米機器人到達(dá)腫瘤區(qū)域，連續(xù)近紅外輻照可快速觸發(fā)機器人自主運動開關(guān)，并激活噴氣推動，雙重控制其定向運動、黏附至腫瘤周圍組織釋藥，有效延長了微米機器人在腸道中的滯留時間并提高藥物釋放精準(zhǔn)性。

結(jié)合微米機器人與PACT兩大新興前沿技術(shù)，使機器人在體內(nèi)能進(jìn)行深層組織實時成像和精確控制，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中顯示出巨大潛力和應(yīng)用價值。

具體來說，微米機器人主體為鎂金屬球（直徑約20μm），表面鍍了一層薄薄的金屬金和聚對二甲苯（抵抗胃酸消化），其間夾載抗腫瘤藥物DOX構(gòu)成復(fù)合微米機器人載藥系統(tǒng)（如圖）。鎂金屬球表面留有圓形區(qū)域未被鍍層覆蓋，這部分裸露的金屬鎂在腸道中發(fā)生鎂-水反應(yīng)產(chǎn)生氣泡，推動微球前進(jìn)，直到碰撞周圍組織后停滯，有效提高了滯留時間和藥物釋放效率。此外，為了保護(hù)微米機器人免受胃部惡劣酸性環(huán)境的影響，將其封裝在石蠟制成的微膠囊（MCs）中，當(dāng)MCs到達(dá)病灶時施以連續(xù)近紅外輻照，僅需0.1s由金引發(fā)的光熱效應(yīng)即可觸發(fā)膠體相變引起MCs崩解進(jìn)而釋放微米機器人。這種可控性強、高效推進(jìn)的激活方法為微米機器人提供了與靶向組織結(jié)合的機械驅(qū)動力，從而達(dá)到定點釋放藥物和延長滯留時間的目的，提高了治療效果。

圖：體內(nèi)微米機器人藥物遞送示意圖

PACT可在深度7cm的組織內(nèi)，對微米機器人進(jìn)行高空間分辨率、高分子對比度的實時成像，實現(xiàn)深度追蹤和精確定位。目前，PACT因其非入侵式、穿透深、高分辨率、高對比度等優(yōu)點，廣泛用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在光聲成像過程中，特定波長的激光照射生物組織，組織內(nèi)發(fā)色團(tuán)吸收的光子能量可轉(zhuǎn)換為超聲信號，隨后被檢測出形成具有高光學(xué)對比度和高分辨率的斷層掃描圖像。可以說PACT完美結(jié)合了光學(xué)成像的高選擇性和超聲成像的穿透深等優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)光學(xué)成像在深層組織受光散射的阻礙，突破深度“軟”極限（~1mm），實現(xiàn)高時空分辨率的深度成像；同時利用生物組織對光譜高選擇性吸收的差異，能夠?qū)崿F(xiàn)高特異性、高對比度的分子水平成像。憑借以上優(yōu)勢，PACT有望在機體內(nèi)實時監(jiān)測、精準(zhǔn)控制微米機器人，實現(xiàn)人體深層病灶如胃腸道腫瘤等疾病的靶向遞藥和精準(zhǔn)治療。

盡管目前PACT引導(dǎo)的微米機器人治療效果已在小動物身上體現(xiàn)，但人類深部疾病可能需要數(shù)十厘米的組織穿透深度，而PACT因受光耗散限制只能提供最多7cm的組織穿透力，仍然是臨床治療的瓶頸。

小小機器人可以實現(xiàn)在人體胃腸道中實時成像、靶向遞藥和自主運動，這為下一代智能微納機器人系統(tǒng)的研發(fā)、深部疾病的高精度微創(chuàng)治療提供了新思路。同時，也給未來醫(yī)學(xué)發(fā)展提供新的啟示，微納機器人研究的快速進(jìn)步，尤其與先進(jìn)的成像技術(shù)結(jié)合，不僅能從微觀角度、分子水平進(jìn)行疾病的診療，即使對單個細(xì)胞也能實現(xiàn)可視化精確操作，可為攻克腫瘤、血栓等機體深部疾病診療的難關(guān)提供新的機會和可能。

（本文來源于《醫(yī)學(xué)參考報》干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)頻道2020-01期第6版文章，ID：yxckbsc2020010602，圖片來源于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除。）

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