中性粒细胞马达的运动控制及主动靶向胶质瘤药物递送

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胶质瘤是起源于脑胶质细胞的常见原发性颅脑恶性肿瘤,其发病率占恶性脑肿瘤总发病率的80%,是最难有效治疗的癌症之一。在全球范围内,中国胶质瘤的发病及死亡人数均占首位。由于血脑屏障的存在,治疗药物难以进入胶质瘤内部。微纳米马达因具有自推进游动能力等优势,有望为精准医疗提供新的解决方案。近二十年来人们已经设计并制备了各种能够进行自驱动的合成微纳米马达,这些微纳米马达在化学燃料或光、磁、声等外物理场下实现自推进运动。尽管人造微纳米马达能够有效执行任务,但是由于其缺乏生物相容性,进入人体后,易被免疫清除,同时微纳米马达还存在无法在体内复杂环境中精准导航等问题。针对以上问题,本文基于化学可控组装技术与中性粒细胞杂化方法构建兼具磁场控制及趋化运动能力的双响应中性粒细胞马达,并研究其对胶质瘤的主动靶向药物递送,解决目前胶质瘤治疗缺乏精准疗法的问题。为了构筑具有良好生物相容性的细胞杂化马达,借助可控组装技术制备大肠杆菌细菌膜伪装磁性载药纳米凝胶颗粒,通过中性粒细胞吞噬大肠杆菌膜伪装纳米凝胶颗粒构筑双响应中性粒细胞马达。大肠杆菌膜伪装凝胶颗粒内部包封抗癌药物及四氧化三铁磁性纳米粒子,赋予中性粒细胞马达载药能力与磁性。中性粒细胞马达可以完成药物的装载,并且在体外模拟炎症的条件下,能够完成药物的释放。为了研究中性粒细胞马达的外场驱动和运动控制,提出使用旋转磁场实现对中性粒细胞马达的磁驱动和精确控制。在外源匀强旋转磁场作用下,中性粒细胞马达实现高效游动,在频率为25 Hz的旋转磁场下,运动速度可达16.4μm/s。旋转磁场驱动的中性粒细胞马达具有逆血流运动能力,在体外模拟血流的条件(流速为100-700μm/s)下,完成了磁场驱动下的可控运动,并实现了轨迹长度为2 cm的长距离持续运动,解决了常规微纳米马达难以在血流中运动等问题。在控制中性粒细胞马达个体运动的基础上,通过调控旋转磁场参数,使中性粒细胞马达个体局域流体场发生耦合,中性粒细胞马达发生链状集群涌现,集群运动方式可显著提高中性粒细胞马达运动速度,链状集群运动速度可达53.5μm/s。为了研究中性粒细胞马达的趋化运动及自主导航运动,设计调控及研究了中性粒细胞马达对趋化因子浓度梯度的趋化运动行为。研究发现中性粒细胞马达具有对趋化因子浓度梯度的感知和响应能力,受趋化因子作用下进行极化、变形、运动等行为,在趋化因子浓度梯度下,趋化运动速度可达0.21μm/s。中性粒细胞马达具有朝向高浓度趋化因子运动的趋化运动能力,能够自主导航,中性粒细胞马达在模拟炎症条件下实现了可控的集群趋化运动,在集群运动过程中,中性粒细胞马达发生形态改变,同时调整运动速度和运动方向,进行定向运动,中性粒细胞马达间有协同作用。为了研究中性粒细胞马达在胶质瘤治疗中的应用,通过小鼠原位脑胶质瘤模型验证中性粒细胞马达对胶质瘤治疗效果。通过将磁驱运动和趋化运动结合,以血管壁作为基底模拟体内环境,实现了中性粒细胞马达的双响应运动.为了研究中性粒细胞马达对于血脑屏障的渗透能力,体外构建了胶质瘤模型,磁控趋化双重作用促进中性粒细胞马达跨越血脑屏障,在炎症条件下实现了体外抑制癌细胞增殖,释放药物的中性粒细胞马达处理后的胶质瘤细胞活性仅为对照组的35%。构建了小鼠脑胶质瘤原位模型,通过部分去除肿瘤组织,在胶质瘤部位原位形成炎症。尾静脉注射中性粒细胞马达,实现了中性粒细胞马达在脑胶质瘤部位的靶向聚集,双响应中性粒细胞马达靶向速度为无磁场、无炎症处理条件下中性粒细胞马达的6倍。相比于注射常规药物载体时小鼠的生存期为20-25天,中性粒细胞马达靶向药物释放延长小鼠的中位生存时间至43天。结合化学可控组装和生物杂化技术构建了具有磁驱动和趋化运动双重响应能力的中性粒细胞马达。解决了目前部分人造微纳米马达生物相容性差、缺乏自主导航能力等问题,以及目前胶质瘤及其他脑部疾病缺乏精准治疗方案、药物难以跨越血脑屏障等问题,构建了基于中性粒细胞马达的治疗平台,为其他脑部疾病、炎症疾病的精准医疗提供了可能的解决方案。
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