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同濟要聞

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“我們的目標是產業化”

——記我校醫學院、附屬東方醫院成昱“磁力刀”團隊
來源:新聞中心   時間:2019-08-06  瀏覽:

今年7月23,國務院總理李克強來到上海張江,視察了我校牽頭建設的上海自主智能無人系統科學中心,他饒有興趣地觀看中心里一張張展板和一件件成果,其中就有我校醫學院生物醫學工程與納米科學研究院成昱教授團隊開發的“磁力刀”。

“我們的目標是產業化。”成昱介紹,近期該團隊正在申報國際合作重大項目,利用“磁力刀”技術展開腫瘤治療。

 

何謂“磁力刀”?

成昱,2014年加盟同濟大學。2015年入選中組部“青年千人”。她帶領的課題組致力于生物功能材料的轉化醫學研究,包括磁力調控、腫瘤靶向藥物研發、干細胞介導納米藥物輸送及其轉化醫學應用等領域。

何謂“磁力刀”?成昱介紹,科學解釋即磁性納米粒子在低頻交變旋轉磁場作用下會組裝并產生帶有類似“旋轉攪拌”功能的機械力,利用這種機械力可以破壞腫瘤細胞,在細胞水平達到手術刀一樣的清除腫瘤效果。她說,這是一種具有刀的功能但無刀的外形的形象比喻。實際操作中,當被注入的磁性納米粒子在磁場調控下旋轉時,會變得鋒利如刀,劃向腫瘤細胞,達到治療目的。

“我們在做化學反應實驗過程中,通過磁子的機械力來攪拌溶液是常用的實驗手段。當時我們就想如果磁子小到一定程度,可以進入細胞,那就可通過機械力的攪拌對細胞進行調控了。”成昱說,開展磁力刀的研究靈感就是來源于此。

如何設計一把好用的“磁力刀”?成昱課題組曾嘗試過很多種磁力刀的設計。“初期課題組曾嘗試使用多種納米磁性顆粒進行制備,但這些磁性顆粒對腫瘤細胞的破壞作用并不明顯。”成昱介紹,隨后,我們加大了每個納米磁性顆粒的磁飽和強度后,神奇現象發生了:注入細胞內的像一塊塊方形“積木”的磁性納米顆粒響應穿透力很強的磁場控制指令,且具備了較強的“團隊精神”。隨著外加磁場的調度,它們會自覺地來到細胞內的溶酶體中,并應磁場的指令“自動”跟著磁力線“調度”的方向,開始組裝成“刀”。

“傳統的手術刀是一件非常精細的手術工具,而我們的磁力刀可以達到20納米的極值,能在狹小空間進行更加精細和微型的手術。”成昱說,如果把10億人排成一排看成一米的話,我們的刀就是其中的20個人,人數之巨、一米之短可見磁力刀的小。在外加磁場機器人的磁力作用下,它首先對細胞內的溶酶體膜進行攻擊,待其被攻擊“潰敗”后,再對細胞進行“攻擊”,細胞在磁力刀的“攻擊”下,最終走向死亡。

 

磁力刀就是磁控機器人指揮的士兵,用途廣泛

成昱說,1884年醫學史上首例腦腫瘤治療被報道以來,歷經一個多世紀,腦部腫瘤的治療術至今沒有取得突破性進展。人類腦部醫學發展緩慢,是因為腦部結構極為復雜、精細,受到技術條件的限制,手術工具又無法超微化。她說,自然界中有一種超磁菌,其體內的磁小體成線狀自組裝分布,我們的研究也受到它的啟發。對磁顆粒施加外力,讓其狀態能被調控。刀極小,磁場也友善,我們的外力磁場只有核磁共振磁場強度的1/5-1/100。

這種體積微小的納米刀,在外加磁性的指揮之下,就好比隨時聽命的軍隊。一旦接到指令,立刻進入戰斗狀態。成昱以剛剛提交的一個中外合作項目為例,指著一張顏色鮮艷的圖介紹:你看,我們在腫瘤部位點了火——烽火(機器人施加磁力場),免疫細胞馬上開始瞭望,然后在磁力機器人的調控作用下被激活, 并向問題細胞匯聚,開始戰斗。隨著戰斗的進行,這里腫瘤細胞被包圍,被刺破,隨后消亡。

成昱為記者演示了仿生趨磁微米機器人的工作場景:隨著鍵盤發出的指令,旁邊一臺高倍顯微鏡里隨即出現一群趨磁微米機器人,很快從“滿天星斗”轉換成“一”字隊形;這邊,指令還在發出,磁場方向在改變、強度在加強、頻率在調整;顯微鏡頭里,微納機器人十分聽話,隨著“命令”在移動,“發現目標、瞄準,上去了,近了近了,貼上去了,黏住了,被拖走了”,雖然一切悄無聲息,但場面依舊驚心動魄:這是記者在超高倍數顯微鏡下看到的情景。

“我們的小動物試驗很成功。”成昱說,磁力刀應用場景廣泛,最難的腦部腫瘤手術能做,其它的像肺、乳腺、肝、胃、腎等部位的應用都不存在技術問題,只是場景的變化。這種磁力刀和低強度磁場的結合,對人體細胞和組織不會帶來損害,且具備高穿透能力,這一特性為超微創手術、細胞操作分析及靶向治療提供了較大可能,具備廣闊的應用前景。

“磁力刀”的相關研究成果發表在《控制釋放雜志》(Journal of Controlled Release)、《治療診斷科技》(Theranostics)、《先進材料》(Advanced Materials)等國際著名期刊上。

 

我們的目標是產業化

成昱說,課題組已開始將磁力刀在小鼠身上加以應用,治療效果明顯,那些患腦腫瘤的小鼠經過磁力刀治療后,腦腫瘤細胞均被“殺死”。

深化研究的同時,課題組也在與廠家合作進行磁力刀磁控與核磁成像合成裝置的研發,爭取早日實現磁力刀手術場景的可視化、直播化,通過高清屏幕更精確地觀察和調整磁力刀操作下的腦部腫瘤“切除”手術。“如果進展順利,磁力刀合成裝置將在半年至一年后研制成功,待通過各項審核后,它將作為新型腫瘤治療手段推向臨床,不僅適用腦部腫瘤,還可用于肺、乳腺、肝臟、胰腺等身體其他部位的腫瘤治療。”成昱說。

采訪獲悉,隨著研究的深入,成昱帶領的課題組目前已經拓展出磁控微米/納米機器人、跨血腦屏障納米技術、細胞生物識別等三個研究方向。“隨著研究的進展,我們的國際話語權越來越大,課題組已經兩次被邀請撰寫醫學磁力材料的綜述文章。今年夏天我們要去德國參加國際IEEE生物醫學工程大會,組里除了一個大會特邀報告外,一位博士生還被邀請作口頭報告。”成昱說,但是,目前我們遇到的困難依然是經費問題。比如,協助磁力刀在磁場環境下展開手術的成像設備必不可少。此外,給小鼠做與給人做尺寸要求是不一樣的,設備的制造和產品的中試需要資金支持。

成昱(右一)在實驗室

她說,目前我們正在和附屬東方醫院的關節炎治療團隊合作。關節炎致病原因也很復雜,但磁力刀可以發揮獨特的作用,它可以與手術治療結合起來,通過磁力修復壞損的組織、修復軟骨,誘導想要的組織煥然一新。“將來有一天,患者穿上我們的磁力護膝,慢慢地又有了一雙強健的腿。這是我們能做的,但現在缺少研發資金。”成昱說,類似的磁力刀穿戴設備至少還可以有肝、頸椎、肺、腎等等應用場景,殺死壞細胞、激發好細胞生長,讓患者免受器官移植帶來的身體、經濟痛苦。不僅器官疾病,還有血液、細胞問題,我們都可以用穿戴設備實現靶向治療,通過控制細胞命運,讓壞細胞死掉、好細胞留下,機體生長隨人所愿。

成昱說,團隊剛剛提交了一個國際合作的重大項目,將開展乳腺癌的研究。“無論前進的路上有多少坎兒,我們都將逢山開路、遇水架橋,堅忍不拔地向著產業化的方向前進。”成昱最后說。(程國政)

 

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