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“我们的目标是产业化” ——记同济大学医学院成昱教授“磁力刀”团队

发布时间:2019-08-06 20:29:44 点击次数:195

今年7月23,国务院总理李克强来到上海张江,视察了同济大学牵头建设的上海自主智能无人系统科学中心,他饶有兴趣地观看中心里一张张展板和一件件成果,其中就有同济大学医学院生物医学工程与纳米科学研究院成昱教授团队开发的“磁力刀”。
“我们的目标是产业化。”成昱介绍,近期该团队正在申报国际合作重大项目,利用“磁力刀”技术展开肿瘤治疗。

 

何谓“磁力刀”?

成昱,2014年加盟同济大学。她带领的课题组致力于生物功能材料的转化医学研究,包括磁力调控、肿瘤靶向药物研发、干细胞介导纳米药物输送及其转化医学应用等领域。

何谓“磁力刀”?成昱介绍,科学解释即磁性纳米粒子在低频交变旋转磁场作用下会组装并产生带有类似“旋转搅拌”功能的机械力,利用这种机械力可以破坏肿瘤细胞,在细胞水平达到手术刀一样的清除肿瘤效果。她说,这是一种具有刀的功能但无刀的外形的形象比喻。实际操作中,当被注入的磁性纳米粒子在磁场调控下旋转时,会变得锋利如刀,划向肿瘤细胞,达到治疗目的。

“我们在做化学反应实验过程中,通过磁子的机械力来搅拌溶液是常用的实验手段。当时我们就想如果磁子小到一定程度,可以进入细胞,那就可通过机械力的搅拌对细胞进行调控了。”成昱说,开展磁力刀的研究灵感就是来源于此。

如何设计一把好用的“磁力刀”?成昱课题组曾尝试过很多种磁力刀的设计。“初期课题组曾尝试使用多种纳米磁性颗粒进行制备,但这些磁性颗粒对肿瘤细胞的破坏作用并不明显。”成昱介绍,随后,我们加大了每个纳米磁性颗粒的磁饱和强度后,神奇现象发生了:注入细胞内的像一块块方形“积木”的磁性纳米颗粒响应穿透力很强的磁场控制指令,且具备了较强的“团队精神”。随着外加磁场的调度,它们会自觉地来到细胞内的溶酶体中,并应磁场的指令“自动”跟着磁力线“调度”的方向,开始组装成“刀”。
“传统的手术刀是一件非常精细的手术工具,而我们的磁力刀可以达到20纳米的极值,能在狭小空间进行更加精细和微型的手术。”成昱说,如果把10亿人排成一排看成一米的话,我们的刀就是其中的20个人,人数之巨、一米之短可见磁力刀的小。在外加磁场机器人的磁力作用下,它首先对细胞内的溶酶体膜进行攻击,待其被攻击“溃败”后,再对细胞进行“攻击”,细胞在磁力刀的“攻击”下,最终走向死亡。

 

磁力刀就是磁控机器人指挥的士兵,用途广泛

成昱说,1884年医学史上首例脑肿瘤治疗被报道以来,历经一个多世纪,脑部肿瘤的治疗术至今没有取得突破性进展。人类脑部医学发展缓慢,是因为脑部结构极为复杂、精细,受到技术条件的限制,手术工具又无法超微化。她说,自然界中有一种超磁菌,其体内的磁小体成线状自组装分布,我们的研究也受到它的启发。对磁颗粒施加外力,让其状态能被调控。刀极小,磁场也友善,我们的外力磁场只有核磁共振磁场强度的1/5-1/100。
这种体积微小的纳米刀,在外加磁性的指挥之下,就好比随时听命的军队。一旦接到指令,立刻进入战斗状态。成昱以刚刚提交的一个中外合作项目为例,指着一张颜色鲜艳的图介绍:你看,我们在肿瘤部位点了火——烽火(机器人施加磁力场),免疫细胞马上开始瞭望,然后在磁力机器人的调控作用下被激活, 并向问题细胞汇聚,开始战斗。随着战斗的进行,这里肿瘤细胞被包围,被刺破,随后消亡。
成昱为记者演示了仿生趋磁微米机器人的工作场景:随着键盘发出的指令,旁边一台高倍显微镜里随即出现一群趋磁微米机器人,很快从“满天星斗”转换成“一”字队形;这边,指令还在发出,磁场方向在改变、强度在加强、频率在调整;显微镜头里,微纳机器人十分听话,随着“命令”在移动,“发现目标、瞄准,上去了,近了近了,贴上去了,黏住了,被拖走了”,虽然一切悄无声息,但场面依旧惊心动魄:这是记者在超高倍数显微镜下看到的情景。
“我们的小动物试验很成功。”成昱说,磁力刀应用场景广泛,最难的脑部肿瘤手术能做,其它的像肺、乳腺、肝、胃、肾等部位的应用都不存在技术问题,只是场景的变化。这种磁力刀和低强度磁场的结合,对人体细胞和组织不会带来损害,且具备高穿透能力,这一特性为超微创手术、细胞操作分析及靶向治疗提供了较大可能,具备广阔的应用前景。
“磁力刀”的相关研究成果发表在《控制释放杂志》(Journal of Controlled Release)、《治疗诊断科技》(Theranostics)、《先进材料》(Advanced Materials)等国际著名期刊上。

 

我们的目标是产业化

成昱说,课题组已开始将磁力刀在小鼠身上加以应用,治疗效果明显,那些患脑肿瘤的小鼠经过磁力刀治疗后,脑肿瘤细胞均被“杀死”。
深化研究的同时,课题组也在与厂家合作进行磁力刀磁控与核磁成像合成装置的研发,争取早日实现磁力刀手术场景的可视化、直播化,通过高清屏幕更精确地观察和调整磁力刀操作下的脑部肿瘤“切除”手术。“如果进展顺利,磁力刀合成装置将在半年至一年后研制成功,待通过各项审核后,它将作为新型肿瘤治疗手段推向临床,不仅适用脑部肿瘤,还可用于肺、乳腺、肝脏、胰腺等身体其他部位的肿瘤治疗。”成昱说。
采访获悉,随着研究的深入,成昱带领的课题组目前已经拓展出磁控微米/纳米机器人、跨血脑屏障纳米技术、细胞生物识别等三个研究方向。“随着研究的进展,我们的国际话语权越来越大,课题组已经两次被邀请撰写医学磁力材料的综述文章。今年夏天我们要去德国参加国际IEEE生物医学工程大会,组里除了一个大会特邀报告外,一位博士生还被邀请作口头报告。”成昱说,但是,目前我们遇到的困难依然是经费问题。比如,协助磁力刀在磁场环境下展开手术的成像设备必不可少。此外,给小鼠做与给人做尺寸要求是不一样的,设备的制造和产品的中试需要资金支持。

         

成昱(右一)在实验室

她说,目前我们正在和附属东方医院的关节炎治疗团队合作。关节炎致病原因也很复杂,但磁力刀可以发挥独特的作用,它可以与手术治疗结合起来,通过磁力修复坏损的组织、修复软骨,诱导想要的组织焕然一新。“将来有一天,患者穿上我们的磁力护膝,慢慢地又有了一双强健的腿。这是我们能做的,但现在缺少研发资金。”成昱说,类似的磁力刀穿戴设备至少还可以有肝、颈椎、肺、肾等等应用场景,杀死坏细胞、激发好细胞生长,让患者免受器官移植带来的身体、经济痛苦。不仅器官疾病,还有血液、细胞问题,我们都可以用穿戴设备实现靶向治疗,通过控制细胞命运,让坏细胞死掉、好细胞留下,机体生长随人所愿。

成昱说,团队刚刚提交了一个国际合作的重大项目,将开展乳腺癌的研究。“无论前进的路上有多少坎儿,我们都将逢山开路、遇水架桥,坚忍不拔地向着产业化的方向前进。”成昱最后说。(程国政)

来源:同济大学新闻网

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