“沙漠玫瑰”如何永远改变药物输送

诸平

Fig. 1 These flower-like zinc oxide particles are three micrometers in size (colorized electron microscope image). Credit: Dong Wook Kim / Max Planck Institute for Intelligent Systems

Fig. 2 The particles resemble tiny paper flowers or sand roses and assemble in a self-organized manner. Credit: Kim et al. Advanced Materials 2024, modified

据瑞士联邦理工学院（ETH Zurich）2024年12月26日提供的消息，沙漠玫瑰如何永远改变药物输送（How “Desert Roses” May Change Drug Delivery Forever）。

研究人员发明了一种花状颗粒，可以有效地将药物输送到身体的目标部位。通过医学成像技术，这些粒子是可追踪和可控的，在小鼠身上成功进行初步试验后，它们有望用于治疗癌症和心血管疾病。

多年来，科学家们一直在寻找将药物输送到体内特定目标的方法。例如，考虑将抗癌药物直接输送到肿瘤中，确保它们只在这个特定部位起作用，而不会对身体的其他部位产生副作用。研究正在进行中，以确定有效成分可以结合的载体颗粒。

这些颗粒必须满足一定的要求，包括以下三点：首先，它们必须能够吸收尽可能多的活性物质分子；其次，必须有可能使用一种简单的技术，如超声波，引导它们穿过血液；第三，必须有可能通过非侵入性成像程序跟踪它们在体内的活动。最后一点是验证药物是否已成功输送的唯一方法。

医学粒子设计的进展(Advancements in Particle Design for Medicine)

找到一个满足所有这些需求的单一解决方案是一项挑战。然而，由苏黎世联邦理工学院领导的一个研究小组引入了一类特殊的粒子，满足了所有这些标准。这些颗粒不仅有效，而且在显微镜下看起来也很引人注目，就像微小的纸花或沙漠玫瑰。它们由极薄的花瓣组成，花瓣自己排列成花朵。这些花颗粒直径为1~5微米(1~5 μm)，比红细胞略小。

它们的形状有两个主要优点。首先，相对于它们的大小，花粒子有一个巨大的表面积。许多密集排列的花瓣之间的空间只有几纳米宽，就像毛孔一样。这意味着它们可以吸收大量的治疗活性物质。其次，花瓣可以散射声波，或者它们可以涂上吸收光的分子，这样就可以很容易地通过超声波或光声成像(optoacoustic imaging)变得可见。

由丹尼尔·拉赞斯基（Daniel Razansky）和梅廷·西蒂（Metin Sitti）领导的研究小组，在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上发表了他们的发现。原文详见：Dong Wook Kim, Paul Wrede, Hector Estrada, Erdost Yildiz, Jelena Lazovic, Aarushi Bhargava, Daniel Razansky, Metin Sitti. Hierarchical Nanostructures as Acoustically Manipulatable Multifunctional Agents in Dynamic Fluid Flow. Advanced Materials, 2024, 36(50): 2404514. DOI: 10.1002/adma.202404514. Epub 14 October 2024. https://doi.org/10.1002/adma.202404514

参与此项研究的有来自德国斯图加特的马克斯·普朗克智能系统研究所（Physical Intelligence Department, Max Planck Institute for Intelligent Systems, Stuttgart, Germany）、瑞士苏黎世大学（Institute of Pharmacology and Toxicology and Institute for Biomedical Engineering, University of Zürich, Zürich, Switzerland）、瑞士苏黎世联邦理工学院（Institute for Biomedical Engineering, ETH Zürich, Zürich, Switzerland）以及土耳其科克大学（School of Medicine and College of Engineering, Koç University, Istanbul, Turkey）的研究人员。

丹尼尔·拉赞斯基是苏黎世联邦理工学院和苏黎世大学的生物医学成像教授。梅廷·西蒂是一名微型机器人专家，直到最近，他还是苏黎世联邦理工学院和斯图加特马克斯·普朗克智能系统研究所的教授，之后他来到了土耳其伊斯坦布尔的科克大学。

潜在应用和未来研究(Potential Applications and Future Research)

丹尼尔·拉赞斯基小组的博士生、该研究的合著者保罗·弗雷德（Paul Wrede）说：“在此之前，研究人员主要是利用超声波或其他声学方法研究微小气泡作为在血液中运输的方法。我们现在已经证明了固体微粒也可以被声学引导。”与气泡相比，花形颗粒的优点是它们可以承载大量的活性成分分子。

研究人员在培养皿实验中证明，这种花形颗粒可以装载一种抗癌药物。他们还将这些颗粒注射到老鼠的血液中。利用聚焦超声（focused ultrasound），他们能够将颗粒保持在循环系统中预先确定的位置。尽管颗粒周围的血液循环很快，但这是成功的。聚焦超声是一种声波集中在一个局部点的技术。“换句话说，我们不能只是注入粒子，然后期待最好的结果。我们实际上控制着它们，”保罗·弗雷德说。研究人员希望这项技术有朝一日能被用于向肿瘤或阻塞血管的血块或血栓输送药物。

这些粒子可以由各种各样的材料制成，并根据它们的用途有不同的涂层，研究人员更喜欢用成像程序来控制粒子的位置。保罗·弗雷德说：“基本的工作原理是基于它们的形状，而不是制造它们的材料。”在他们的研究中，研究人员详细研究了氧化锌制成的花形颗粒。他们还测试了聚酰亚胺（polyimide）和一种由镍（Ni）和有机化合物组成的复合材料制成的颗粒。

现在，研究人员想要完善他们的概念。他们计划首先进行更多的动物试验，之后这项技术可能会使心血管疾病或癌症患者受益。

这项工作得到了马克斯普朗克协会(Max-Planck-Gesellschaft)、韩国国家研究基金会{NRF-2022R1A6A3A03063349/Ministry of Education, Science and Technology, National Research Foundation of Korea}、以及马克斯普朗克ETH学习系统中心(Max Planck ETH Center for Learning Systems)的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Acoustic waves provide a biocompatible and deep‐tissue‐penetrating tool suitable for contactless manipulation in in vivo environments. Despite the prevalence of dynamic fluids within the body, previous studies have primarily focused on static fluids, and manipulatable agents in dynamic fluids are limited to gaseous core‐shell particles. However, these gas‐filled particles face challenges in fast‐flow manipulation, complex setups, design versatility, and practical medical imaging, underscoring the need for effective alternatives. In this study, flower‐like hierarchical nanostructures (HNS) into microparticles (MPs) are incorporated, and demonstrated that various materials fabricated as HNS‐MPs exhibit effective and reproducible acoustic trapping within high‐velocity fluid flows. Through simulations, it is validated that the HNS‐MPs are drawn to the focal point by acoustic streaming and form a trap through secondary acoustic streaming at the tips of the nanosheets comprising the HNS‐MPs. Furthermore, the wide range of materials and modification options for HNS, combined with their high surface area and biocompatibility, enable them to serve as acoustically manipulatable multimodal imaging contrast agents and microrobots. They can perform intravascular multi‐trap maneuvering with real‐time imaging, purification of wastewater flow, and highly‐loaded drug delivery. Given the diverse HNS materials developed to date, this study extends their applications to acoustofluidic and biomedical fields.