研究人員創(chuàng)建納米機器人來探測人體細胞

多倫多大學工程研究人員已經(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胞內(nèi)，具有前所未有的精確度。納米機器人已被用于研究癌細胞的特性，并可指出加強診斷和治療的方法。

Yu Sun教授和他的團隊一直在建造可以操縱單個細胞二十年的機器人。他們的創(chuàng)造有能力操縱和測量單個細胞 -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)向前推進了一步。

“到目前為止，我們的機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器人并探測所有房間和結(jié)構(gòu)。”

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

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

“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時反饋控制其位置。他使用計算機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。”

該團隊與西奈山醫(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，利用他們的機器人系統(tǒng)研究早期和晚期膀胱癌細胞。

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

“這有點像一個機械形狀的足球，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胞核在重復(fù)刺激時獲得的硬度，并確定哪種細胞蛋白質(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，在后期細胞中，僵硬反應(yīng)不那么強烈，”王說。“在早期癌細胞和后期細胞在形態(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，這項研究可能會更進一步。

“你可以想象引入這些納米機器人的全部成群，并利用它們通過阻塞血管進入腫瘤而使腫瘤餓死，或通過機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和他的團隊對這一研究方向感到興奮。他們已經(jīng)和SickKids的黃曦博士進行了早期動物實驗。

“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確性。這是我們需要達到目標的重要部分，敬請關(guān)注!”