磁力引導背景下的納米顆粒靶向給藥

戴卓君

在疾病的治療中，藥物治療是不可或缺的一部分。對于某些疾病而言，例如，固體腫瘤，傳統的給藥方式往往具有生物分布差、毒性大、敏感性差等缺點，如何將藥物準確、專一地輸送到病灶，發揮其最大效果，一直是科學家致力的方向。

納米顆粒靶向給藥，實現精準治療

近年來，使用納米顆粒（Nanoparticle）作為藥物載體對疾病進行治療受到了研究者的廣泛關注。這種給藥的方式，可以通俗地理解為船和貨物，納米顆粒是船，包裹在顆粒里面的藥是貨物，當我們把納米顆粒通過靜脈注射的方式使其進入血管，就相當于船進入河流，每一艘航行的船都有它想要停靠的碼頭。而在人體的“河流”中，每一艘“小船”的“碼頭”就是引起疾病的病灶，比如，固體腫瘤。當承載著藥物的納米顆粒到達它的“碼頭”——病變組織，被精妙設計的它會以某種方式進行“卸貨”，釋放出的藥物和病變組織進行一系列的反應，最后達到治療的目的。

相比于傳統給藥方式，納米顆粒作為載體給藥的優勢在于，通過對顆粒做一定的修飾，在外力的作用下（比如磁場），可以將載藥微粒富集于病變部位，所負載的藥物受控釋放，實現靶向治療，從而增強治療效果，減少對其他正常組織的影響。此外，在磁場引導下的靶向給藥系統還具有磁響應性好、載藥量大、不容易被網狀內皮系統吞噬等優點，是腫瘤治療中的理想給藥系統，對肝、肺、胃等實體癌都有較好的治療作用[1]。

納米顆粒難以進入血管內皮，靶向給藥受阻

隨著研究和實驗進一步加深，科學家發現，納米顆粒作為藥物載體，在人體內輸送藥物到病變組織的過程中，仍然存在阻礙。對于不同的病變組織，所碰到的阻礙類型也有所不同。

以癌癥為例，癌細胞雖然是不正常的細胞，但也是細胞，生長也需要營養。為了獲取營養，癌變組織內會長出新的血管來支持癌細胞的存活以及分裂生長。前面提到，納米顆粒是行走在血管內的。當包裹著抗癌藥物的納米顆粒隨著血液流達到腫瘤附近區域時，需要穿過血管內皮才能真正接觸到癌細胞，從而釋放藥物殺死癌細胞。但是，因為癌變組織里新生的血管結構不同于普通的血管，這樣不正常的結構讓納米顆粒很難通過血管內皮進入到癌變組織附近，所以，納米顆粒所攜帶的藥物也不能夠有效地釋放在癌變組織周圍，這讓藥物濃度大大降低，治療效果大打折扣。

對流的產生為納米顆粒靶向給藥助力

相關領域的科學家進行了一系列的研究，希望能夠加強納米顆粒穿過血管內皮的能力。其中，“對流”作為一個很重要的概念被科學家提出。對流是指流體（氣體或液體）內部由于各部分溫度不同而造成的相對流動，即流體通過自身各部分的宏觀流動實現熱量傳遞的過程。

在納米顆粒作為藥物載體給藥領域，有理論提出，血液中對流的產生可以促進納米顆粒穿過血管內皮，到達癌變組織。根據這個理論，許多科學家進行了相關嘗試。例如，植入相關裝置，再以導管的形式進行藥物灌注，但是，這種導管和裝置的存在對人體組織是有傷害的，并且，在產生有效的對流方面也存在很多問題。在對流可以促進納米顆粒穿過血管內皮的理論基礎上，納米醫療技術專家、蘇黎世聯邦理工學院助理教授Simone Schuerle以及她的團隊提出了兩種無創產生對流的技術方法[2]，進一步優化了納米顆粒作為載體給藥的方案。

Simone Schuerle提出的第一種無創產生對流的技術受微型機器人以及細菌運動機制的啟發。細菌雖小也不像動物一樣有腳，但是大部分細菌是可以運動的。大部分能夠運動的細菌都具有自身的運動器官——鞭毛。鞭毛外形長而細，附著于細菌的表面，一般長15～20μm，是細菌體長的數倍。通俗理解，細菌的鞭毛相當于船的螺旋漿，當細菌在水中時，鞭毛的高速旋轉可以為細菌提供動力，推動菌體前行。

基于此，Simone Schuerle和她的團隊合成了一種外形與細菌鞭毛類似的微型機器人。這種微型機器人可以模仿細菌依靠鞭毛運動產生推進力的方式來產生對流。當鞭毛外形的微型機器人到達納米顆粒富集的血管區域時，在磁場的控制下發生運動，產生對流，促進攜帶藥物的納米顆粒穿過血管，到達癌變組織附近，釋放藥物殺死腫瘤細胞。

在第二種方法中，Simone Schuerle和她的團隊則采用另外一種完全不同的方式來產生對流——具有趨磁性的細菌。在自然條件下，具有趨磁性的細菌一般存在于海洋中。這種細菌能夠合成被脂質包裹的鐵氧納米顆粒，因此具有趨磁性。這些顆粒能夠感知地磁場，其可以通俗地理解為細菌的指南針，為細菌提供方向，引導細菌在海洋中運動。利用這一特點，Simone Schuerle和她的團隊將第一種方法中的微型機器人換成了大量具有趨磁性的細菌，通過體外磁場的控制，讓這些細菌發生一定的運動，從而產生對流。這提高了載有藥物的納米顆粒通過血管內皮的成功率，使更多的藥物能夠有效、準確地釋放在癌變組織附近，使得藥物對于癌細胞的殺傷力進一步加強。

微型機器人引路賦能，打造無創優勢

相比于對納米顆粒本身的改造，Simone Schuerle和她的團隊研究出的這兩種方法有著明顯的優勢。因為影響納米顆粒通過血管內皮的因素通常包括納米顆粒本身的大小、其物化性質以及顆粒表面的性質，常規改善通過率的方法往往是從這3方面入手對納米顆粒本身進行改造，以獲得更大的通過率。但是，對納米顆粒本身進行改造也存在著一系列問題。以顆粒本身大小為例，體積越小的納米顆粒會更容易通過血管到達癌變組織，但體積越小的納米顆粒會更容易被腎排泄出體外，也容易被免疫細胞吞噬清除。另外，考慮到穩定性以及藥物的裝載量，納米顆粒并不是越小越好。

Simone Schuerle和她的團隊研究出的這兩種方法并不改變原有的納米顆粒，而是采用了仿生的鞭毛形狀的微型機器人以及具有趨磁性的細菌，在磁場的作用下運動，產生對流，就像微型的螺旋槳給飛機提供源源不斷的動力一樣，促進攜帶藥物的納米顆粒通過血管壁，進入癌變組織，釋放藥物殺死癌細胞。此外，這兩種方式屬于無創遠程操控，能極大地降低對人體的傷害。

科學與技術的不斷發展讓人類生活質量的改善成為可能。雖然目前這兩種技術只是在實驗室得到了驗證，還未投入臨床使用。但是，相信在不久的將來，經過不斷改進，這兩種技術可輔助納米顆粒給藥，為納米顆粒提供源源不斷的動力，使其精準到達病灶，一起成為治療疾病強而有力的手段。