膀胱癌是世界上發生率最高的腫瘤之一，在男性腫瘤中排名第四。儘管死亡率相對較低，但近一半的膀胱腫瘤會在5 年內復發，因此需要持續監測患者。頻繁的醫院就診和重複治療的需要使這種癌症成為治療費用最昂貴的癌症之一。

雖然目前在膀胱內直接給藥的治療方法顯示出良好的存活率，但其療效仍然很低。一個很有前景的替代方法是使用奈米粒子，將治療藥物直接送達腫瘤。特別值得一提的是奈米機器人–具有在體內自我推進能力的奈米顆粒。

這項研究是在小鼠身上進行的，它顯示了這些微小的奈米機械如何被尿液中的尿素推動，並精確地瞄準腫瘤，用其表面攜帶的放射性同位素攻擊腫瘤。

奈米機器人的透射電子顯微鏡影像。資料來源：加泰隆尼亞生物工程研究所（IBEC）

現在，發表在著名期刊《自然-奈米技術》（Nature Nanotechnology）上的一項研究揭示了一個研究小組如何透過單劑量尿素驅動的奈米機器人，成功地將小鼠膀胱腫瘤的體積縮小了90%。

這些微小的奈米機器由二氧化矽製成的多孔球體組成。它們的表面帶有各種具有特定功能的成分。其中包括尿素酶，這是一種能與尿液中的尿素發生反應的蛋白質，能使奈米粒子自我推進。另一種重要成分是放射性碘，這是一種常用於腫瘤局部治療的放射性同位素。

透過磁振造影進行膀胱腫瘤定位，並透過正子斷層掃描（PET）量化奈米機器人在腫瘤中的累積。資料來源：CIC biomaGUNE

這項研究由加泰隆尼亞生物工程研究所（IBEC）和CIC biomaGUNE 領導，生物醫學研究所（IRB Barcelona）和巴塞隆納自治大學（UAB）協辦，為膀胱癌的創新治療鋪平了道路。這些進步旨在縮短住院時間，從而降低成本，並提高患者的舒適度。

“單次用藥後，我們觀察到腫瘤體積縮小了90%。鑑於此類腫瘤患者目前的治療方法通常需要預約6 到14 次住院治療，因此這種治療方法的效率大大提高。這種治療方法將提高效率，縮短住院時間，降低治療成本，”IBEC 的ICREA 研究教授、研究負責人Samuel Sánchez 解釋。

下一步是確定這些腫瘤是否會在治療後復發，這項工作已經在進行中。

透過顯微鏡觀察奈米機器人在腫瘤中的堆積。圖片來源：IRB Barcelona

在先前的研究中，科學家證實，奈米機器人的自我推進能力使其能夠到達所有膀胱壁。與目前的治療方法相比，這項特點更具優勢。目前的治療方法是，在直接向膀胱內施用藥物後，患者必須每半小時改變一次體位，以確保藥物到達所有膀胱壁。

這項新研究更進一步，不僅證明了奈米粒子在膀胱中的流動性，還證明了它們在腫瘤中的特定累積。這項成果的取得得益於各種技術，包括對小鼠進行醫學正子斷層掃描（PET）成像，以及研究完成後取出的組織的顯微鏡影像。後者是使用巴塞隆納國際研究局專門為該專案開發的螢光顯微鏡系統拍攝的。該系統能掃描膀胱的不同層，並提供三維重建，從而觀察整個器官。

使用奈米機器人治療癌症後，腫瘤體積縮小了90%。圖片來源：CIC biomaGUNE

“我們開發的創新光學系統能夠消除腫瘤本身反射的光線，使我們能夠以前所未有的分辨率識別和定位整個器官中的奈米粒子，而無需事先標記。我們觀察到，奈米機器人不僅能到達腫瘤，還能進入腫瘤，從而增強放射性藥物的作用，”巴塞隆納IRB高級數位顯微鏡平台負責人Julien Colombelli解釋。

破解奈米機器人進入腫瘤的原因是一項挑戰。奈米機器人缺乏辨識腫瘤的特異性抗體，而且腫瘤組織通常比健康組織堅硬。

“然而，我們觀察到，這些奈米機器人可以透過自我推進的化學反應局部提高pH值，從而分解腫瘤的細胞外基質。這種現像有利於更大程度地穿透腫瘤，並有利於在腫瘤內實現優先積聚，”該研究的共同第一作者、IBEC 研究員Meritxell Serra Casablancas 解釋。

因此，科學家們得出結論：奈米機器人與泌尿道黏膜碰撞時，泌尿道黏膜就像一道牆，但在腫瘤中，由於腫瘤的海綿體較多，奈米機器人就能穿透腫瘤並在內部積聚。一個關鍵因素是奈米機器人的流動性，它增加了到達腫瘤的可能性。

此外，根據CIC biomaGUNE 研究員、該研究的共同負責人約爾迪-略普（Jordi Llop）說：”攜帶放射性同位素的奈米機器人的局部給藥降低了產生不良反應的概率，而在腫瘤組織中的大量積聚有利於放射治療效果的發揮”。

這項研究的共同第一作者克里斯蒂娜-西莫（Cristina Simó）補充說：「這項研究的結果為使用其他放射性同位素打開了大門，這些同位素誘導治療效果的能力更強，但在全身給藥時使用受到限制。”

這項研究綜合了各機構三年多的合作成果。部分數據來自梅里特塞爾-塞拉（Meritxell Serra）和安娜-霍特勞（Ana Hortelao）的博士論文，兩人都是桑切斯領導的IBEC 智慧奈米生物設備組的研究人員。該論文還包括該研究的共同第一作者克里斯蒂娜-西莫（Cristina Simó）的論文，她在CIC biomaGUNE 的放射化學與核成像實驗室從事博士前研究，該實驗室由約爾迪-略普（Jordi Llop）領導。此外，埃斯特-胡利安（Esther Julián）研究小組在該疾病動物模型方面的專業知識也功不可沒。此外，該計畫還獲得了歐洲研究理事會（ERC）和”la Caixa”基金會的資助。

Samuel Sánchez 和他的團隊七年多來一直在開發這些奈米機器人，其基礎技術最近已獲得專利，並成為奈米機器人治療公司的基礎。

該公司由桑切斯創立，是研究與臨床應用之間的橋樑：”要繼續推進這項技術，並在一切順利的情況下將其推向市場和社會，為分拆公司獲得雄厚資金至關重要。今年6 月，也就是Nanobots Tx 成立僅5 個月後，我們就成功完成了第一輪融資，我們對未來充滿信心，」桑契斯強調。

來自IBEC 的Meritxell Serra 和Samuel Sánchez。圖片來源：加泰隆尼亞生物工程研究所（IBEC）

使用奈米機器人對生物成像技術提出了巨大的科學挑戰，因為生物成像技術可以將組織和腫瘤中的這些元素可視化。常見的非侵入性臨床技術（如PET）缺乏必要的分辨率，無法在顯微鏡下定位這些非常小的顆粒。因此，巴塞隆納國際研究局的科學顯微鏡平台採用了一種顯微鏡技術，以一片雷射照射樣本，透過與組織和微粒相互作用產生的光散射獲取三維影像。

在觀察到腫瘤本身會散射部分光線並產生幹擾後，科學家們開發了一種基於偏振光的新技術，可以消除腫瘤組織和細胞產生的所有散射。這項創新使奈米機器人的可視化和定位成為可能，而無需事先使用分子技術進行標記。

編譯來源：ScitechDaily