最近的一项研究揭示了一种使用尿素驱动的纳米机器人治疗膀胱癌的新方法，它成功地将小鼠的肿瘤大小缩小了90%。这种创新的方法有望提高治疗效率，减轻患者的负担。(艺术家的概念。)来源:SciTechDaily.com
这项研究是在小鼠上进行了实验说明这些微小的纳米机器是如何由尿液中的尿素推动，精确地瞄准肿瘤，用表面携带的放射性同位素攻击肿瘤。
膀胱癌是世界上发病率最高的肿瘤之一，是男性中第四大常见肿瘤。尽管其死亡率相对较低，但近一半的膀胱肿瘤在5年内重新出现，需要持续的患者监测。频繁的医院就诊和重复治疗的需要使这种类型的癌症成为最昂贵的治疗之一。
虽然目前的治疗方法包括直接给药膀胱显示出良好的生存率，但它们的治疗效果仍然很低。一种有希望的替代方法是使用能够将治疗剂直接输送到肿瘤的纳米颗粒。尤其是纳米机器人——被赋予在体内自我推进能力的纳米粒子——值得注意。
纳米机器人的透射电子显微镜图像。来源:加泰罗尼亚生物工程研究所(IBEC)
纳米机器人在膀胱癌治疗中的突破
现在，发表在著名杂志《自然纳米技术》上的一项研究揭示了一个研究小组如何通过单剂量的尿素驱动纳米机器人成功地将小鼠膀胱肿瘤的大小缩小了90%。
这些微小的纳米机器由二氧化硅制成的多孔球体组成。它们的表面带有各种具有特定功能的组件。其中一种是脲酶，一种与尿液中的尿素发生反应的蛋白质，使纳米颗粒能够自我推进。另一个关键成分是放射性碘，一种通常用于肿瘤局部治疗的放射性同位素。
膀胱肿瘤的定位通过磁共振成像和纳米机器人在肿瘤中的积累，通过正电子发射断层扫描(PET)量化。资料来源:CIC biomaGUNE
该研究由加泰罗尼亚生物工程研究所(IBEC)和CIC biomaGUNE与生物医学研究所(IRB Barcelona)和巴塞罗那自治大学(UAB)合作领导，为创新膀胱癌治疗铺平了道路。这些进步旨在缩短住院时间，从而降低成本，提高患者的舒适度。
“单次剂量，我们观察到肿瘤体积减少了90%。考虑到患有这种类型肿瘤的患者通常需要6到14次医院预约进行目前的治疗，这种方法显着更有效。这种治疗方法将提高效率，减少住院时间和治疗费用，”IBEC的ICREA研究教授、该研究的负责人塞缪尔Sánchez解释说。
下一步，已经在进行中，是确定这些肿瘤在治疗后是否复发。
显微镜观察肿瘤中纳米机器人的聚集。资料来源:巴塞罗那IRB
膀胱奇妙之旅
在之前的研究中，科学家们证实，纳米机器人的自我推进能力使它们能够到达膀胱的所有壁。与目前的手术相比，这一特点是有利的，在目前的手术中，在直接向膀胱进行治疗后，患者必须每半小时改变一次体位，以确保药物到达所有的膀胱壁。
这项新的研究更进一步，不仅证明了纳米颗粒在膀胱中的流动性，而且还证明了它们在肿瘤中的特异性积累。这一成就是通过各种技术实现的，包括小鼠的医学正电子发射断层扫描(PET)成像，以及研究完成后切除组织的显微镜图像。后者是使用巴塞罗那IRB专门为该项目开发的荧光显微镜系统捕获的。该系统扫描膀胱的不同层，并提供三维重建，从而能够观察整个器官。
用纳米机器人治疗癌症后，肿瘤大小缩小了90%。资料来源:CIC biomaGUNE
“我们开发的创新光学系统使我们能够消除肿瘤本身反射的光，使我们能够在没有事先标记的情况下以前所未有的分辨率识别和定位整个器官的纳米颗粒。我们观察到纳米机器人不仅到达了肿瘤，而且进入了肿瘤，从而增强了放射性药物的作用，”巴塞罗那IRB高级数字显微镜平台的负责人Julien Colombelli解释说。
破解纳米机器人进入肿瘤的原因是一个挑战。纳米机器人缺乏识别肿瘤的特异性抗体，而且肿瘤组织通常比健康组织更硬。
“然而，我们观察到这些纳米机器人可以通过自我推进的化学反应局部增加pH值来分解肿瘤的细胞外基质。该研究的第一作者之一、IBEC研究员Meritxell Serra Casablancas解释说:“这种现象有利于更大的肿瘤渗透，有利于在肿瘤中实现优先积累。”
因此，科学家们得出结论，纳米机器人与尿路上皮发生碰撞，就像它是一堵墙一样，但在更海绵状的肿瘤中，它们穿透肿瘤并积聚在里面。一个关键因素是纳米机器人的移动性，这增加了到达肿瘤的可能性。
此外，CIC biomaGUNE研究员、该研究的共同负责人Jordi Llop表示，“携带放射性同位素的纳米机器人的局部管理减少了产生不良反应的可能性，并且肿瘤组织中的高积累有利于放射治疗效果。”
“这项研究的结果为使用其他放射性同位素打开了大门，这些同位素具有更大的诱导治疗效果的能力，但在系统管理时使用受到限制，”该研究的第一作者克里斯蒂娜Simó补充说。
多年的工作和分拆公司
这项研究巩固了各机构三年多来的合作成果。部分数据来自Meritxell Serra和Ana Hortelao的博士论文，他们都是IBEC智能纳米生物设备小组的研究人员，该小组由Sánchez领导。它还包括Cristina Simó的论文，该研究的第一作者之一，她在CIC biomaGUNE由Jordi Llop领导的放射化学和核成像实验室进行了博士前研究。UAB的Esther Julián小组在该疾病动物模型方面的专业知识是一个额外的贡献。此外，该项目还获得了欧洲研究理事会(ERC)和“la Caixa”基金会的资助。
这些纳米机器人背后的技术，塞缪尔Sánchez和他的团队已经开发了七年多，最近获得了专利，并作为纳米机器人治疗的基础，这是IBEC和ICREA于2024年1月成立的分拆公司。
该公司由Sánchez成立，是研究和临床应用之间的桥梁:“为分拆获得充足的资金对于继续推进这项技术至关重要，如果一切顺利，将其推向市场和社会。今年6月，在Nanobots Tx成立仅仅5个月后，我们成功完成了第一轮融资，我们对未来充满热情，”Sanchez强调道。
Meritxell Serra和Samuel Sánchez来自IBEC。来源:加泰罗尼亚生物工程研究所(IBEC)
显微镜定位纳米机器人的技术创新
使用纳米机器人对可视化组织和肿瘤本身的这些元素的生物成像技术提出了重大的科学挑战。常见的非侵入性临床技术，如PET，缺乏在微观水平上定位这些非常小的颗粒所需的分辨率。因此，巴塞罗那IRB的科学显微镜平台采用了一种显微镜技术，使用一片激光照射样品，通过与组织和颗粒相互作用的光散射来获取3D图像。
在观察到肿瘤本身散射了部分光，产生了干扰后，科学家们开发了一种基于偏振光的新技术，可以抵消肿瘤组织和细胞的所有散射。这项创新使纳米机器人的可视化和定位成为可能，而不需要事先用分子技术进行标记。
参考文献:“放射性核素治疗与积累脲酶驱动的纳米机器人减少原位小鼠模型膀胱肿瘤大小”，2024年1月15日，Nature Nanotechnology。DOI: 10.1038 / s41565 - 023 - 01577 - y
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