【前沿】《Science》子刊：新型纳米机器人可进入活体癌细胞,为癌症治疗带来希望！

中国自动化学会

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在医学技术飞速发展的今天，不少人还是会提“癌”色变，视癌症为“绝症”的代名词。加拿大多伦多大学的研究人员开发了一款新型纳米机器人，它将带领我们从细胞的角度，更加直观地观测细胞在癌症不同时期的状态，为癌症治疗带来新的希望。这项成果发表在美国《Science Robotics》杂志上。论文链接：

http://robotics.sciencemag.org/content/4/28/eaav6180

新型纳米机器人装置介绍

这款新型纳米机器人在多级磁性“镊子”的操控下，可以实现在活体细胞中精准活动。这里的多极磁性镊子装置由6个磁极、6个线圈组成，其中3个磁极和3个线圈被装在顶部，另外3个磁极和3个线圈被嵌在底部。如图：

（装配过程）

“镊子”采用的是高磁导率箔制成的尖端，可以保证极大的磁梯度。该装置被放置在显微镜的玻片上，以保证微珠进入放置在玻片上的细胞时受到三维磁场的力，如图：

在将微珠通过细胞微注射或内吞引入后，进入线圈产生的磁场。进而被“磁化”，研究人员可以通过计算机算法改变6个磁线圈的电流建立三维磁场，实现微珠在细胞内的三维导航以及可以控制微珠向细胞内的结构施加力。

为实现细胞胞内微珠的控制和较高的分辨率的视觉反馈，研究人员在计算机算法上也下了苦工，提出了一种广义预测控制算法（GPC）。该算法能够较好地考虑到微珠的动态特性，提供更好的视觉反馈，使得空间和时间上的机械测量成为现实。

磁性微操作技术的优势

磁性微操作技术近年来取得了不小的发展，已被运用于药物传递、组织结构组装以及在器官、组织和细胞水平进行毫米到微米的机械测量。

这里要提到，细胞胞内测量和操作技术的方法分为栓系法和无栓法。

栓系法是利用原子显微镜（AFM）或者锋利的微量吸液管等，这种方法不适合长期在细胞内测量或者在一个细胞内结构的多个位置测量。

（光镊系统）

无栓法目前主要有光镊和声镊。光镊是利用激光来制造“光阱”困住微小物体，以实现移动光束来移动微小物体的目的。声镊则是利用声波的压力来推动微小物体，可以同时操控多个微小物体。但是这两种方法都有各自的缺点。光镊的激光容易能量不足而无法驱动磁珠运动，但若过高提高激光强度，则会损伤细胞的结构。声镊的控制精度太差，且拘泥于二维。

(利用声镊将癌细胞和正常细胞分离)

相比以上的方法，多极磁性镊子可施加的力量比激光高了一个数量级，精度上也大大提高，且实现了三维导航。同样地，比之一般单极磁镊产生的单向引力，多极磁镊因为其线圈的个数和安放位置可以在三个方向上产生引力，将微珠的控制扩展到了三维空间。

（三维磁场）

新型纳米机器人的应用

在细胞整个生命周期中，存在着一种推动、拉动和挤压细胞的力，这个力被称为牵引力。从细胞层次上测量这种牵引力的变化，可能是一种早期检测癌症的手段。已经有科学家提出过利用弹性微球来测量细胞间的力，并且已经成功测量出了压缩力、拉力和剪切力。

研究团队也利用多极磁镊进行了在癌细胞中施加力的实验，来探究细胞核在受到所施加力时的硬化程度。研究人员还将磁珠导入膀胱癌细胞，在细胞核上施加力，在反复实验后测量出其硬化的程度，并将膀胱癌细胞早期和晚期核硬化程度进行比较，发现早期癌细胞的核硬化反应要轻很多。因此这种方法有望成为诊断癌症的方法之一。