黑科技,连上wifi刷刷手机就能控制肿瘤治疗

癌症一直困扰着许多人,不仅是生理上的痛苦,也是对心理的折磨。癌症病人即便治愈回家也时刻担心复发的风险。移动健康(mobile health;mHealth)是通过便携式可移动设备提供相关的医疗服务。在智能手机普及的今天,如果能够通过手机对自己的身体甚至肿瘤发展情况进行实时检测应该会在很大程度上释放病人的心理压力。更有甚者,如果将外源刺激和靶向纳米药物整合到便携式可穿戴器件中不仅保证治疗效果,还能提高舒适度。

为了实现这些目标,mHealth平台需要包含控制器(智能手机控制的可穿戴设备)和效应器(智能纳米药物)。控制器在肿瘤部位发出的外源刺激信号能够特异性激发效应器开始治疗。传统的外援刺激光照在组织内的穿透深度有限,而以热作为外源刺激可以有效避免这个缺陷。然而,基于热的治疗主要依赖于高热,在治疗过程中容易影响周围的健康组织。因此,在不破坏周围组织的情况下,通过效应器对热量进行控制以进行治疗是mHealth平台的一个理想特点。

武汉大学张先正团队开发了一种能在日常生活中对肿瘤进行治疗的mHealth平台。该平台以反式激活因子的转录肽(TAT)改性的铁电铋铁氧体 (TAT-BFO)作为纳米效应器,以智能手机控制的可穿戴设备作为控制器激发治疗过程。经过系统调节后,便携式智能纳米药物TAT-BFO可以在外部磁场的帮助下在肿瘤深部聚集;然后,TAT-BFO纳米药物通过智能手机控制脉冲温度循环产生ROS杀死特定位置的肿瘤细胞。这将是一种简单而有效的治疗方法,将高质量的肿瘤治疗带入日常生活。

武汉大学张先正团队​:黑科技,连上wifi刷刷手机就能控制肿瘤治疗
图1 使用mHealth平台进行肿瘤治疗的方案说明

 

对纳米效应器TAT-BFO的合成及刺激响应性能的表征

作者制备的BFO纳米粒子粒径在100 nm左右,在热冷温度循环下可再现的热释电流响应证明BFO有良好的稳定性和热释电效应。BFO在37℃和45 ℃时的电势表面分布表明存在热释电效应,对BFO施加37℃ ~ 45℃脉冲温度循环40次后,产生的ROS量约增加10倍。TAT被修饰在BFO纳米粒子表现以提高细胞摄取,因此,TAT-BFO在脉冲温度循环下能在细胞内产生更多的ROS以杀伤肿瘤细胞。

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图2 对BFO和体外产生ROS的表征

 

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图3 TAT-BFO对细胞的抗肿瘤作用

 

mHealth平台对小鼠抗肿瘤效果的试验

随后,作者对热动力疗法在体内的抗肿瘤效果进行了探索。4T1luc细胞被植入BALB/c小鼠的乳腺脂肪垫中。用TAT-BFO和通过mHealth平台控制的温度循环(37℃ ~ 45℃)处理小鼠的肿瘤体积最小,存活时间最长,并且在肺和肝脏组织没有转移灶点。然后作者对mHealth平台对抑制复发的效果进行了评估。当肿瘤体积达到200 mm3后, 通过手术切除原位肿瘤,3天后进行不同方案的治疗。实验发现每种方案对肿瘤复发都有不同程度的抑制作用,而每周辅助化疗加mHealth平台治疗组疗效最显著。这些结果均表明,mHealth平台可能是一种抑制术后肿瘤复发的有效策略。

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图4 mHealth平台的体内抗肿瘤作用

 

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图5 在可切除4T1肿瘤模型中的抗复发作用

 

可应用于人的mHealth平台

在这个mHealth设计中,热动力疗法使用热作为一种可控制的外源性刺激确保深部肿瘤的治疗。于是作者对热的穿透能力进行了研究。606 nm的激光很难穿透厚度为10毫米的猪皮。而将手掌紧贴加热装置,热量穿透到手背,手背温度也能在8 min内提高8℃,说明热具有很好的组织穿透性。

为了开发一个可行的人类mHealth平台,作者设计了一种可穿戴设备,能够依靠无线局域网(Wi-Fi) 通过智能手机发送远程命令自动进行温度循环,从而触发热动力学治疗。该装置的关键组成是基于电路系统的一个热探测器,它可以调节触点的温度在37 ℃ ~ 45 ℃。在Wi-Fi模式下可以通过智能手机操作和控制温度循环开关、循环时间和温度。

为了制作人体可穿戴设备,作者首先基于上述自动温度循环电路系统设计了一个简单的小猪模型。用于乳腺癌治疗的马甲不仅能紧密贴合皮肤防止热损失,还能保证热量传递到组织深部。该装置可改造安装在身体的多个部位,用于各种肿瘤的临床治疗,将临床优质治疗带入日常生活,显著提高治疗的可及性和便利性。

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图6 mHealth平台示意图

 

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702120302303

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