2019-11-05 20:30:01
模仿自然的纳米汽车可以提供未来的治疗方法

隐匿在生物伪装中的微型车辆比人的头发宽度小1,000倍,可以提供治疗癌症的新方法,且副作用更少。

数十亿年以来,自然界已经完善了巧妙的方式,使生物细胞能够在环境中移动并在彼此之间无害地运输化学药品。

现在,科学家正在模仿其中的一些过程来制造新的“纳米机器”,这些机器最终将有助于治疗白血病和其他癌症等疾病。

一种方法是从围困特洛伊(Troy)的故事中汲取灵感,当时希腊人将战士藏在巨型木马中,以进入城市。

意大利都灵理工大学(Politecnico di Torino)的化学工程师Valentina Cauda教授正在领导一个项目,该项目旨在制造纳米级氧化锌晶体,该晶体可以从内部杀死癌细胞。晶体本身的大小约为20纳米,比人发的宽度小约6,000倍,对人体中的健康细胞有毒,并可引发免疫反应,阻止其进入肿瘤。

但是,Cauda教授和TrojaNanoHorse项目的同事们在晶体周围形成了一个壳,这样它们就可以使它们滑过人体的防御系统并进入癌细胞内部。

Cauda教授说:“由于具有仿生外壳,其想法是逃避免疫系统并逃避细胞膜的屏障。” “在特洛伊木马类比中,(癌细胞)细胞可以是特洛伊市。”

胖子

这些微小的外壳比人的头发小100-200nm或1,000倍,由称为脂质的脂肪分子制成,这些脂质形成几乎所有活细胞的外膜。在自然界中,由这些脂质制成的小液滴(称为囊泡)不断从细胞表面冒出化学信息或有害物质,从而从细胞表面冒出,因此可以安全地携带到身体的其他部位。

Cauda教授和她的团队试图通过在实验室中生长的细胞产生的囊泡中覆盖纳米晶体来复制这种晶体,以便它们也可以无害地通过人体。囊泡表面还可以布满针对特定癌细胞的抗体,从而帮助它们仅在想要杀死的细胞上进行磨练。

一旦囊泡找到癌细胞,它的抗体就会与表面结合,使脂质与细胞融合并释放出有毒的纳米晶体。 Cauda教授相信,通过从患者体内获取的细胞中生长出纳米壳,他将有可能创造出个性化的疗法,从而在逃避免疫系统的同时杀死癌细胞。

该团队已经在实验室中测试了纳米壳疗法对付白血病细胞和宫颈癌。尽管他们希望将来能够进行人体试验,但Cauda教授警告说,要达到这一阶段还需要很多年。

好处

但是,如果成功的话,这种纳米药物疗法与传统的化学疗法相比,可以通过仅靶向肿瘤细胞而使健康组织不受影响,从而减少副作用,从而带来好处。

Cauda教授说:“纳米医学方法可以为患者提供部位选择性和个性化治疗。”

然而,这种方法仍然很大程度上依赖于纳米壳在癌细胞在患者血液中循环时依附于癌细胞上的机会,因此它们可以附着在癌细胞上。

另一组研究人员正在研究纳米和微型机器,这些机器可能会通过对需要治疗的人体部位进行治疗而积极地改善这一状况。

爱尔兰都柏林三一学院的材料科学家Larisa Florea博士正在领导一个名为ChemLife的项目,该项目旨在制造可以在液体中自行移动的微型车辆。

趋化性

该小组正在尝试模仿一种称为趋化性的运动,这种运动被某些基本微生物利用,并使它们能够从低盐度变为高盐度,或者从酸性溶液变为碱性溶液。

美国其他研究小组先前已经表明,使用这种方法可以非常精确地导航人造液滴在复杂的迷宫中导航。 Florea博士和她的同事们试图通过使用光来控制液滴的运动来扩展这一点。

他们创造了囊状液滴,将光敏分子与称为表面活性剂的化合物配对。表面活性剂通常存在于洗涤剂中,但也普遍存在于许多生物系统中。

当暴露在光线下时,“光敏”分子会通过改变其形状,改变液滴两面的表面张力而发生反应。这会导致液滴中的分子从一侧流到另一侧,从而将其向前推动,就像坦克的胎面一样。

该团队表明,他们可以精确地引导液滴通过三维空间,并达到高达每秒10.4毫米(0.02英里)的速度。

弗洛瑞亚博士说:“如果将运动速度与这些微滴的大小进行比较,它们比世界上一些最好的游泳者快一磅一磅。”

他们还能够证明他们的液滴状运载工具可以运载货物,并将其运送到其他液滴以触发化学反应。它提出了希望,可以使用类似的方法将药物或其他类型的治疗方法输送到体内的特定细胞。

尽管可能很难使用光来引导载药液滴通过人体,但Florea博士和她的同事们还探索了使用温和电流的方法。

推进

该团队还一直在开发更复杂的微型机器,这些机器可以游动或爬行通过微小细菌等液体。通过使用高精度的3-D打印技术,他们已经能够在几微米左右的尺寸内形成水凝胶结构,这些结构可以收缩和扩展以推动结构向前发展。

她说:“例如,我们一直在制作微小的花状结构,可以根据不同的刺激而打开和关闭。” “例如,它可能在一定的pH值下打开,而在另一个pH值下关闭。”

发生这种情况是因为水凝胶会根据周围溶液的pH值吸收水而膨胀,并通过排出而收缩。弗洛瑞亚博士说,他们希望通过温度变化或光脉冲来控制水凝胶的运动。

ChemLife团队正在使用这些水凝胶来制造带有微小旋转鞭毛的结构,这种鞭毛是一些细菌用来推动自身的微小尾状附件。他们还利用可沿着表面或通过液体爬行的同一类水凝胶来创造蠕虫状结构。

Florea博士说:“最终目标是使这些微型车辆执行诸如药物输送或(化学)感测之类的动作。” “但是我们必须现实,因为身体是一个非常困难的环境,在不久的将来可能无法实现这一目标。”

微小的移动结构也可以在其他方面找到用途。这些措施包括输送化学品以更好地改善工业反应,或创建可以被远程激活以处理诸如电池之类的精密组件而不会损坏它们的柔软的微型夹具。

弗洛瑞亚博士补充说:“当你看自然可以实现什么时,机会是无穷的。”

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