研究人員創(chuàng)建納米機(jī)器人來探測人體細(xì)胞

多倫多大學(xué)工程研究人員已經(jīng)建立了一套磁性“鑷子”，可以將納米尺度的珠子以三維方式定位在人體細(xì)胞內(nèi)，具有前所未有的精確度。納米機(jī)器人已被用于研究癌細(xì)胞的特性，并可指出加強(qiáng)診斷和治療的方法。

Yu Sun教授和他的團(tuán)隊(duì)一直在建造可以操縱單個細(xì)胞二十年的機(jī)器人。他們的創(chuàng)造有能力操縱和測量單個細(xì)胞 -在體外受精和個性化醫(yī)療等程序中有用。他們今天在Science Robotics上發(fā)表的最新研究將該技術(shù)向前推進(jìn)了一步。

“到目前為止，我們的機(jī)器人一直在建筑物外探索，觸摸磚墻，并試圖弄清楚內(nèi)部發(fā)生了什么，”孫說。“我們希望在建筑物中部署機(jī)器人并探測所有房間和結(jié)構(gòu)。”

該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)創(chuàng)建了可以操縱電子顯微鏡內(nèi)部亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)，但這需要對細(xì)胞進(jìn)行冷凍干燥并將其切割成小片。為了探測活細(xì)胞，其他團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用了諸如激光或聲學(xué)等技術(shù)。

“光學(xué)鑷子 - 使用激光探測細(xì)胞 - 是一種流行的方法，”博士王賢說。進(jìn)行研究的候選人。該技術(shù)榮獲2018年諾貝爾物理學(xué)獎，但王說，它所能產(chǎn)生的力量不足以進(jìn)行他想做的機(jī)械操縱和測量。

“你可以嘗試增加力量以產(chǎn)生更大的力量，但是你有可能損壞你試圖測量的亞細(xì)胞成分，”王說。

Wang設(shè)計的系統(tǒng)使用六個磁性線圈放置在顯微鏡蓋玻片周圍的不同平面上，蓋玻片上種有活癌細(xì)胞。將直徑約700納米的磁鐵珠 - 比人類頭發(fā)的厚度小約100倍 - 置于蓋玻片上，癌細(xì)胞容易將其吸收到其膜內(nèi)。

一旦珠子在里面，王使用共聚焦顯微鏡成像的實(shí)時反饋控制其位置。他使用計算機(jī)控制的算法來改變通過每個線圈的電流，使三維磁場成形并將磁珠引入電池內(nèi)的任何所需位置。

“我們可以將位置控制在布朗運(yùn)動極限以下幾百納米的范圍內(nèi)，”王說。“我們可以施加比激光更高的力量。”

該團(tuán)隊(duì)與西奈山醫(yī)院的Helen McNeil博士和Yonit Tsatskis以及病童醫(yī)院(SickKids)的Sevan Hopyan博士合作，利用他們的機(jī)器人系統(tǒng)研究早期和晚期膀胱癌細(xì)胞。

以前關(guān)于細(xì)胞核的研究需要從細(xì)胞中提取它們。Wang和Sun測量完整細(xì)胞中的細(xì)胞核，而不需要破壞細(xì)胞膜或細(xì)胞骨架。他們能夠證明細(xì)胞核在各個方向都不是同樣僵硬。

“這有點(diǎn)像一個機(jī)械形狀的足球，它沿著一個軸比另一個更硬，”孫說。“如果沒有這種新技術(shù)，我們就不會知道。”

他們還能夠精確測量細(xì)胞核在重復(fù)刺激時獲得的硬度，并確定哪種細(xì)胞蛋白質(zhì)可能在控制這種反應(yīng)中發(fā)揮作用。這些知識可以為診斷癌癥的新方法指明方向。

“我們知道，在后期細(xì)胞中，僵硬反應(yīng)不那么強(qiáng)烈，”王說。“在早期癌細(xì)胞和后期細(xì)胞在形態(tài)上看起來不同的情況下，這提供了另一種方式來區(qū)分它們。”

據(jù)Sun稱，這項(xiàng)研究可能會更進(jìn)一步。

“你可以想象引入這些納米機(jī)器人的全部成群，并利用它們通過阻塞血管進(jìn)入腫瘤而使腫瘤餓死，或通過機(jī)械消融直接破壞腫瘤，”Sun說。“這將為治療對化療，放療和免疫療法有抗藥性的癌癥提供一種方法。”

這些應(yīng)用程序距離臨床部署還有很長的路要走，但Sun和他的團(tuán)隊(duì)對這一研究方向感到興奮。他們已經(jīng)和SickKids的黃曦博士進(jìn)行了早期動物實(shí)驗(yàn)。

“這還不是很神奇的航程，”他說，指的是1966年的科幻電影。“但我們在位置和力量控制方面取得了前所未有的準(zhǔn)確性。這是我們需要達(dá)到目標(biāo)的重要部分，敬請關(guān)注!”