母校要闻

同济附属东方医院成昱课题组利用磁纳米技术治疗脑肿瘤取得突破性进展

近日,同济大学附属东方医院医学转化平台成昱教授课题组在靶向脑肿瘤磁纳米治疗领域研究取得新进展。成昱课题组提出“磁力刀”的新概念,即磁性纳米粒子在低强度磁场作用下会产生带有类似“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,使机械力达到与手术刀相同的效果。“这种由磁性纳米粒子组成的‘磁力刀’不是传统意义上‘刀’,它是一种磁场带动下的‘机械力’,这种力量形似榨汁机在搅拌水果时产生的涡轮形力量,水果在涡轮力的作用下被搅碎,同理细胞在磁场机械力的作用下被搅碎直至死亡。”成昱解释说。其实,磁力刀就是通过“幕后” 无形的磁场来调控“幕前” 有形的磁性纳米材料,使磁纳米材料具有“魔法”般的“功力”,在这种神奇“功力”作用下产生一种破坏细胞“乾坤”的无敌“刀法”。

成昱(右一)课题组实验人员在做实验

“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。”成昱道出了磁力刀产生的渊源。

在研发“磁力刀”实验过程中,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个纳米磁性颗粒进行制备,但这种磁性颗粒对肿瘤细胞的破坏作用并不明显。”成昱说,随后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”的磁性纳米颗粒穿透力很强,且不会“乱跑”,基本都聚集在细胞内形似“芒果”状的溶酶体中,并会“自动”跟着自身磁力线“调度”方向进行重新组装,实现从无序分布到有序的排列,在磁性纳米材料内部磁场的引导和溶酶体的空间限制下,形成了一个个形似“米粒”大小的微米级 “芒果”形组装体,然后再将这些组装体放置于一个低强度磁场中,“芒果”体内的磁性纳米材料又会开始新一轮“重组”,并再次“自动”跟着外部低强度磁场的磁力线方向重组成米粒大小的“梭”形组装体,至此,经过两次“变形”,“梭”状磁力刀组装成功。“梭”状磁力刀对细胞的“攻击”也需“两步走”,首先对细胞内的形似“芒果”的溶酶体膜进行攻击,待溶酶体膜被攻击“溃败”后,再对细胞进行“攻击”,细胞在磁力刀双重“攻击”下,最终走向死亡。

这种以体积微小著称的纳米材料,加上磁性的“翅膀”,使磁控纳(微)米技术在生物医学方面有了很大应用前景,同时低强度磁场对人体细胞和组织的无害性和高穿透能力,为微创手术、细胞操作和分析以及靶向治疗提供了较大可能。

自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,至今没有取得突破性进展,其中脑部结构的高度复杂性与血脑屏障的屏障作用极大地限制了脑肿瘤研究的发展。为了寻求一种脑部肿瘤新的治疗方案,成昱课题组以脑肿瘤为研究模型,利用磁性纳米材料的“先天”特性,并经多次试验发现:采用由纳米级材料自组装形成的“磁力刀”,通过磁场远程操控装置的控制,使“磁力刀”转动而产生强有力的机械力,能够更直接、更彻底地杀死脑部癌细胞,同时低强度磁场副作用小,相关实验数据显示它的磁辐射量仅为核磁共振的百分之一,不会对正常人体组织和细胞产生影响,这就为脑肿瘤提供了一种新的治疗手段。“磁力刀尺寸小,可以从微米级到纳米级,便于制作特微型手术器械,更适合精细程度高的脑部微创手术,同时这种(微)纳米级磁性材料可批量制备,便于临床转化。”成昱补充说。

据成昱介绍,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”。在深化研究的同时,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,待研制成功后,可实现可视化磁力刀微创导航“切除”肿瘤的目的,应用在临床上,可用高清屏幕替代显微镜来更精确的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、肝脏、胰腺等身体其他部位的肿瘤治疗。

据悉,该研究成果发表在国际著名期刊《Theranostics》,同时被选为同期期刊Back Cover。论文的通讯作者为同济大学医学院附属东方医院成昱教授、西班牙马德里理工大学Gustavo R. Plaza教授,课题组科研助理申雅静、博士后吴丛宇为本论文共同第一作者。


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