科幻成现实!自带GPS的“智能药丸”要来了

科幻是对未来最好的预言。几百年前,人类在科幻故事里想象,有朝一日我们可以潜入深海,可以飞上太空。这些天马行空的幻想都已经成真,但人类将科幻变为现实的旅程才刚刚起步。在这个“属于生物学”的世纪,越来越多关于健康的科幻想法,正在成为造福人类的新产品。


1966年,一部叫做《神奇旅程》(Fantastic Voyage)电影在美国上映。这部电影讲述的是5名医生被缩小成几百万分之一,然后乘坐潜水艇顺着血流进入人体,在病人身体内部进行治疗的故事。50年后的今天,我们看到了它的雏形。

本周,加州理工学院(Caltech)的两名科学家开发出了一种全新的“药片”,解决了将科幻变为现实的一大难题——定位。先前,人们曾开发出了不少微型机器人,试图在人体内进行诊断或治疗。但这些机器人都无法做到精确定位。人体的组织太厚了。无论是采用电磁场、声波、或是基于影像的方法,我们都很难找到这些微型机器人在身体里的位置。这样一来,这些机器人的作用就非常有限。如果你不能区分病变的信号来自于小肠还是大肠,这样的诊断又有什么意义呢?


人们想知道微型机器人在人体中的具体位置(图片来源:《Nature Biomedical Engineering》)

两名加州理工学院的科学家在餐桌上找到了潜在的解决方案。在一次派对上,精通医学成像技术的Mikhail Shapiro博士与微芯片大牛Azita Emami博士一拍即合,想到了一个新点子。在寻常的医学成像中,核磁共振成像技术(MRI)能穿透厚厚的人体,让医生看清病人的身体结构。我们能把这个技术应用到微型芯片上吗?


Mikhail Shapiro博士曾被《麻省理工科技评论》选为“35岁以下创新者”(图片来源:《麻省理工科技评论》)

“MRI的一个关键原则在于磁场的梯度能让身体不同部分的原子以不同的频率共振,因此我们能很简单地知道这些原子属于哪里,”Shapiro博士说:“我们想将这个优雅的原则整合到电路中。我们的ATOMS芯片在不同的磁场下,也能共振出不同的频率。”


这个微芯片比硬币要小多了(图片来源:加州理工学院)

Shapiro博士提到的ATOMS芯片正是他们开发出的“治疗潜水艇”,它只有一枚硬币的250分之一大。在一定的磁场梯度下,它们也能以不同的频率共振,让人分析出这些小芯片的位置。这打通了前往未来的道路。

有了精确的定位,这些小芯片能做许多先前难以想象的工作。在结合了诊断工具后,它们能分析人体特定部位的血糖浓度、温度、炎性分子水平等关键数据,帮助医生判断病情;在结合了药物后,它们还能穿越重重阻碍,在特定的地方释放药物。举例来说,我们能在肿瘤附近释放杀伤肿瘤的药物,一方面将药物对正常细胞的影响降到最低,另一方面还能提高药物在肿瘤附近的浓度,提高效果。


小鼠试验证实了它的有效性(图片来源:《Nature Biomedical Engineering》)

这些小芯片在小鼠中已经证实了它的有效性。研究人员们期待它能早日进入人体试验阶段。将来,在这些芯片的帮助下,医生们能更精准地对患者进行诊断,也能让患者更精准地使用药品。正如加州理工学院所言,这是“未来新药”应有的模样!

参考资料

[1] Medicine of the Future: New Microchip Technology Could Be Used to Track Smart Pills

[2] Localization of microscale devices in vivo using addressable transmitters operated as magnetic spins

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