本发明涉及纳米技术领域，特别涉及一种主动细胞靶向的场控螺旋纳米机器人分批给药方法。
背景技术：
最热门的研究课题之一。现有治疗癌症的方式主要采用传统的手术、化学疗法和放射疗法。传统化学治疗方式的药物传递系统利用血液循环实现给药，使药物分布在全身。由于全身都暴露在药物中，这种方式属于非特异性靶向的药物递送。这类方式伴有靶细胞药量较少，药效甚微和对正常细胞严重副作用等问题。
纳米技术的发展使药物靶向递送成为可能，药物靶向递送可分为被动靶向和主动靶向。被动靶向利用靶细胞附近血管丰富且内皮细胞膜之间有100～780nm孔隙，此处附近淋巴引流可以使纳米粒子长时间聚集在靶细胞位置，靶细胞对大分子类物质具有增强的高通透性和滞留性效应，称为epr(enhancedpermeabilityandretention)效应。这样被动靶向是利用渗透及保持的epr效应将药物堆积到目标区域，即利用病变组织及细胞造成的缺氧状态、大分子累积的特征进行药物堆积，但绝大部分(甚至90％以上)药物载体仍存留在其它组织部位。主动靶向利用纳米载药体与靶细胞之间的特异性识别实现靶向给药，这主要采用两种类型的相互作用靶向：①配体(靶向物质)-受体(细胞表面物质)；②抗体(靶向物质)-抗原(细胞表面物质)。但这两种类型都要求靶向物质与细胞表面物质非常接近时(<0.5nm)，二者才能结合并触发细胞内信号相互反应，进而实现细胞内吞的纳米载药体给药。
采用纳米机器人搭载药物运载到上述主动靶向要求的作用距离(<0.5nm)，实现精准靶向给药被认为是一种先进的癌症治疗方案。但如何将纳米机器人携带的治疗药物准确、快速地递送至靶细胞区域，并实现高效给药具有挑战性。现有主动靶向携带的单一靶向物质与细胞表面物质配准，然后触发细胞胞吞给药的过程，存在配准效率较低、胞吞时间较长的问题。这主要是因为以肿瘤为代表的靶细胞是一种由动态微环境组成的异质性群体，该微环境经历时空变化，在一定程度上影响靶细胞表面物质的表达，导致细胞表面物质发生部分变化而难以被靶向物质识别。此外，胞吞发生的次数受限于细胞所具有的能量，该过程不能持续进行。这些因素都限制了纳米载药体给药治疗的效率。
技术实现要素：
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种细胞靶向场控螺旋纳米机器人分批给药方法，该方法可针对靶细胞实现大剂量高效的胞内给药，提高给药剂量和给药效率。
为达到上述目的，本发明实施例提出了细胞靶向场控螺旋纳米机器人分批给药方法，包括以下步骤：s1，根据预设需求将螺旋纳米机器人划分为第一批螺旋纳米机器人和第二批螺旋纳米机器人；s2，通过空间成像技术的位置反馈以及磁场驱动和血液辅助运输下，将所述第一批螺旋纳米机器人移动至靶细胞附近区域；s3，通过所述靶细胞附近区域的epr效应、布朗运动的扩散行为、超声驻波定点聚集的三者协同作用下，使所述第一批螺旋纳米机器人所携带的配体与所述靶细胞的表面受体接触和识别，并利用空间成像技术记录所述第一批螺旋纳米机器人与所述靶细胞接触过程中的位置，得到时间序列螺旋纳米机器人运动轨迹图像；s4，当所述第一批螺旋纳米机器人携带的任一配体与所述靶细胞表面的受体特异性识别成功时，所述第一批螺旋纳米机器人通过胞吞的方式进入细胞内部；s5，处理所述时间序列螺旋纳米机器人运动轨迹图像，得到磁场驱动所述第二批螺旋纳米机器人的优选路径；s6，按照所述优选路径驱动所述第二批螺旋纳米机器人快速运动至所述靶细胞位置，并通过螺旋穿刺方式直接进入细胞内部；s7，对进入细胞内部的第一批螺旋纳米机器人和第二批螺旋纳米机器人施加交变磁场，以释放自身搭载药物，完成所述靶细胞内部给药。
本发明实施例的细胞靶向场控螺旋纳米机器人分批给药方法，通过空间成像的方式实时观测螺旋纳米机器人运动位置；利用超声驻波聚集螺旋纳米机器人以达到主动靶向物质与靶细胞表面物质之间的距离满足小于0.5nm识别要求，并通过携带多种配体避免两者识别失效并提高识别成功几率；基于图像反馈位置信息，驱动螺旋纳米机器人螺旋运动实现穿刺进入靶细胞，通过交变磁场驱动释放药物实现细胞内给药，提高螺旋纳米机器人的给药效率。
另外，根据本发明上述实施例的细胞靶向场控螺旋纳米机器人分批给药方法还可以具有以下附加的技术特征：
可选地，在本发明的一个实施例中，所述第一批螺旋纳米机器人携带至少包括如下任两种特异性配体：叶酸配体、转铁蛋白配体、上皮生长因子配体、尿酸激酶配体、低密度脂蛋白配体、促黄体激素释放激素配体、肿瘤坏死因子配体。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述空间成像技术包括声成像、磁性颗粒成像和近红外荧光成像。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤s2中的超声驻波定是两束方向相反、频率和幅值相同的超声波叠加而形成的声波，其中，所述超声驻波对附近的第一批螺旋纳米机器人产生的沿梯度方向的压力作用，使所述第一批螺旋纳米机器人聚集在驻波的波节位置，调整超声频率设置驻波波节的空间位置恰位于所述靶细胞处，使所述第一批螺旋纳米机器人形成位置可控的空间焦点聚集。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述时间序列螺旋纳米机器人运动轨迹图像反映所述第一批螺旋纳米机器人运动过程中的平面位置和深度信息的图像数据信息。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过利用所述图像数据信息对所述第一批螺旋纳米机器人起始点和所述靶细胞位置点之间以最短路径为目标进行拟合，得到所述优选路径，以便于磁场控制的第二批螺旋纳米机器人快速到达所述靶细胞的位置。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第二批螺旋纳米机器人具有亲水性，其自发的贴合到脂质双分子层结构的细胞膜上，再通过磁场控制的螺旋运动对细胞膜的穿刺，使所述第二批螺旋纳米机器人进入所述靶细胞的内部。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述步骤s7中搭载药物选自美登素及其衍生物、紫杉醇及其衍生物、澳瑞他汀及其衍生物、阿霉素及其衍生物、博来霉素及其衍生物、更生霉素及其衍生物、普卡霉素及其衍生物和顺铂中的任一种或多种。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的细胞靶向场控螺旋纳米机器人分批给药方法的流程图；
图2是本发明一个实施例的细胞靶向场控螺旋纳米机器人分批给药方法具体执行流程图；
图3是本发明一个具体实施例的第一批&第二批纳米机器人结构示意图，其中，(a)为第一批螺旋纳米机器人的磁性纳米颗粒表面可以携带合适的药物；(b)为第二批螺旋纳米机器人的磁性纳米颗粒表面可以携带合适的药物；
图4是本发明一个具体实施例的超声聚集示意图；
图5是本发明一个具体实施例的靶向物质与细胞表面物质识别及细胞胞吞过程示意图；
图6是本发明一个具体实施例的空间成像反馈的纳米机器人轨迹追踪示意图；
图7是本发明一个具体实施例的螺旋纳米机器人螺旋穿刺靶细胞示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的细胞靶向场控螺旋纳米机器人分批给药方法。
图1是本发明一个实施例的细胞靶向场控螺旋纳米机器人分批给药方法的流程图。
如图1所示，该细胞靶向场控螺旋纳米机器人分批给药方法包括以下步骤：
在步骤s1中，根据预设需求将螺旋纳米机器人划分为第一批螺旋纳米机器人和第二批螺旋纳米机器人。
其中，第一批螺旋纳米机器人的功能是识别靶细胞、获得运动轨迹位置信息和靶细胞的精准位置信息，其携带多种类型配体至少包括如下两种特异性配体：叶酸配体、转铁蛋白配体、上皮生长因子配体、尿酸激酶配体、低密度脂蛋白配体、促黄体激素释放激素配体、肿瘤坏死因子配体等，任两种特异性配体也可以是在靶细胞附近新生血管生成、侵袭和转移过程中起重要作用的整合素αvβ3、钙粘蛋白e-cad、选择素cd44等，根据靶细胞的种类和表面过表达物质进行选取。
在步骤s2中，通过空间成像技术的位置反馈以及磁场驱动和血液辅助运输下，将第一批螺旋纳米机器人移动至靶细胞附近区域。
其中，空间成像技术可以是一种穿透性成像技术，包括超声成像、磁性颗粒成像、近红外荧光成像等方式，此类穿透性成像技术需要具有较深的组织穿透性且较高的位置分辨率，可以观察螺旋纳米机器人在深层组织的位置。
具体地，如图2所示，第一批螺旋纳米机器人携带多种类型配体(靶向物质)，通过空间成像可实时进行位置反馈，在磁场驱动和血液辅助运输下移动至靶细胞区域周围。
在步骤s3中，通过靶细胞附近区域的epr效应、布朗运动的扩散行为、超声驻波定点聚集的三者协同作用下，使第一批螺旋纳米机器人所携带的配体与靶细胞的表面受体接触和识别，并利用空间成像技术记录第一批螺旋纳米机器人与靶细胞接触过程中的位置，得到时间序列螺旋纳米机器人运动轨迹图像。
进一步地，在本发明的一个实施例中，步骤s2中的超声驻波定是两束方向相反、频率和幅值相同的超声波叠加而形成的声波，其中，超声驻波对附近的第一批螺旋纳米机器人产生的沿梯度方向的压力作用，使第一批螺旋纳米机器人聚集在驻波的波节位置，调整超声频率设置驻波波节的空间位置恰位于靶细胞处，使第一批螺旋纳米机器人形成位置可控的空间焦点聚集。
具体而言，如图2所示，通过靶细胞附近区域的epr效应、布朗运动的扩散行为、超声驻波定点聚集的三者协同作用下，螺旋纳米机器人所携带的配体与靶细胞表面受体不断接触和识别。在此过程中，利用空间成像技术实时反馈并记录螺旋纳米机器人与靶细胞接触过程中的位置，得到时间序列螺旋纳米机器人运动轨迹图像。其中，时间序列螺旋纳米机器人运动轨迹图像反映的是第一批螺旋纳米机器人运动过程中的平面位置和深度信息的图像数据信息。
在步骤s4中，当第一批螺旋纳米机器人携带的任一配体与靶细胞表面的受体特异性识别成功时，第一批螺旋纳米机器人通过胞吞的方式进入细胞内部。
也就是说，如图2所示，第一批螺旋纳米机器人携带的任一配体与靶细胞表面的受体特异性识别成功后，触发靶细胞的胞吞信号，第一批螺旋纳米机器人通过胞吞的方式进入细胞内部，并反馈靶细胞的位置信息。
在步骤s5中，处理时间序列螺旋纳米机器人运动轨迹图像，得到磁场驱动第二批螺旋纳米机器人的优选路径。
在步骤s6中，按照优选路径驱动第二批螺旋纳米机器人快速运动至靶细胞位置，并通过螺旋穿刺方式直接进入细胞内部。
进一步地，螺旋穿刺方式是利用第二批磁场控制纳米机器人的螺旋结构旋转进给运动所产生的机械力，以及螺旋纳米机器人表面亲水特性，其自发的贴合到脂质双分子层结构的细胞膜上，实现螺旋纳米机器人与细胞膜贴合并快速穿刺，使第二批螺旋纳米机器人进入靶细胞的内部。
具体地，通过利用时间序列螺旋纳米机器人运动轨迹图像的图像数据信息对第一批螺旋纳米机器人起始点和靶细胞位置点之间以最短路径为目标进行拟合，得到优选路径，再通过图像实时反馈螺旋纳米机器人位置来闭环调控驱动磁场，驱动第二批螺旋纳米机器人按照优选路径快速运动至靶细胞位置，第二批螺旋纳米机器人通过螺旋穿刺方式直接进入细胞内部。
在步骤s7中，对进入细胞内部的第一批螺旋纳米机器人和第二批螺旋纳米机器人施加交变磁场，以释放自身搭载药物，完成靶细胞内部给药。
进一步地，步骤s7中搭载药物选自：美登素及其衍生物、紫杉醇及其衍生物、澳瑞他汀及其衍生物、阿霉素及其衍生物、博来霉素及其衍生物、更生霉素及其衍生物、普卡霉素及其衍生物、顺铂等，本领域技术人员应根据需要选择合适的药物进行搭载。
下面以超声成像获取位置信息为例，以叶酸、转铁蛋白和上皮生长因子作为配体特异性识别人乳腺癌细胞mcf-7为例，详细说明主动靶向和分批给药方法的实施过程，具体实施步骤如下：
螺旋纳米机器人是螺旋碳纳米管作为基体，修饰聚乙二醇用于提高螺旋纳米机器人的生物相容性，表面连接磁性纳米颗粒用于螺旋纳米机器人的磁化和携带药物。根据螺旋纳米机器人实现的功能不同将其分为两个批次：第一批螺旋纳米机器人的主要功能是识别靶细胞、获得运动轨迹位置信息和靶细胞的精准位置信息，需携带可以与靶细胞特异性识别的多种类型的配体，同时为满足及时的给药治疗，如图3(a)所示，第一批螺旋纳米机器人的磁性纳米颗粒表面可以携带合适的药物；如图3(b)所示，第二批螺旋纳米机器人的主要功能是穿刺给药，通过螺旋穿刺的方式进入细胞内部并完成胞内给药，所以其结构上不需要配体或其他靶向物质。第一批和第二批螺旋纳米机器人都需要磁性纳米颗粒携带药物，并在外部施加的诱导下释放。
第一批螺旋纳米机器人通过血液运输和基于已知目标位置进行的磁场辅助下的主动驱动到达目标区域周围，通过靶细胞附近的epr效应将螺旋纳米机器人保持在该区域，并施加超声驻波将螺旋纳米机器人聚集在靶细胞周围。超声入射波与反射波的叠加产生驻波，空间内的螺旋纳米机器人在驻波的压力驱动下，首先在驻波压力节点所在平面形成聚集。如图4所示，由于压力节点是该平面压力最小的点，螺旋纳米机器人受压力作用沿梯度方向向节点聚集。这里要求超声频率f与超声腔室的高度h满足如下关系，
其中，c是声在介质中的速度，n是波节的数量。通过调节超声的频率大小控制空间聚集点的高度，调节超声的能量中心控制空间聚集点的水平位置。调整超声频率f的大小，使n＝1，即只有一个最小压力节点；调节超声能量中心的位置使压力节点恰位于靶细胞mcf-7区域。在驻波压力梯度的作用下，靶细胞mcf-7区域的螺旋纳米机器人向波节点聚集。每相隔20s，开启超声10s，然后关闭，使螺旋纳米机器人不断通过布朗运动和超声聚集作用与靶细胞接触，从而增加配受体识别成功的可能性。
如图5所示，修饰有多种配体的螺旋纳米机器人在细胞周围通过超声驻波和epr效应的聚集和布朗运动的扩散不断与靶细胞接触，螺旋纳米机器人所携带的配体与靶细胞表面受体成功识别后可触发细胞内部的胞吞信号，细胞通过胞吞的方式摄取螺旋纳米机器人，实现螺旋纳米机器人的主动靶向。
如图6所示，通过超声成像的方式实时观测螺旋纳米机器人运动过程中的位置，得到时间序列的螺旋纳米机器人运动位置，通过计算得到螺旋纳米机器人运动轨迹的三维拟合结果，并在磁场的控制下驱动第二批螺旋纳米机器人按照优选轨迹运动，快速到达靶细胞区域。
如图7所示，第二批螺旋纳米机器人到达靶细胞区域后，本实施例采用的螺旋碳纳米管纳米机器人通过修饰具有亲水性，可以自发的贴合到脂质双分子层结构的细胞膜上，通过磁场控制的螺旋运动可实现对细胞膜的穿刺，从而使螺旋纳米机器人进入细胞内部，通过外部施加交变磁场诱导药物释放，实现靶细胞内大剂量给药治疗。
综上，本发明实施例提出的细胞靶向场控螺旋纳米机器人分批给药方法，具有以下有益效果：
1)采用螺旋纳米机器人主动细胞靶向的分批次靶向递送给药方法，可针对靶细胞特异性识别和高效给药，最大程度降低药物对其他细胞的副作用；
2)采用螺旋纳米机器人携带多种靶向物质和超声聚集的方式，可增强螺旋纳米机器人与靶细胞的识别几率，可提高螺旋纳米机器人与靶细胞的靶向配准效率；
3)采用螺旋纳米机器人的分批给药策略，第二批螺旋纳米机器人无需特异性识别和胞吞的过程，可有效减少第二批螺旋纳米机器人运动路径，从而减少第二批螺旋纳米机器人到达靶细胞的所用时间；
4)采用螺旋穿刺方式可实现螺旋纳米机器人快速进入靶细胞内部，可有效提高胞内给药剂量和给药治疗效率。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
1.一种细胞靶向场控螺旋纳米机器人分批给药方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1，根据预设需求将螺旋纳米机器人划分为第一批螺旋纳米机器人和第二批螺旋纳米机器人；
s2，通过空间成像技术的位置反馈以及磁场驱动和血液辅助运输下，将所述第一批螺旋纳米机器人移动至靶细胞附近区域；
s3，通过所述靶细胞附近区域的epr效应、布朗运动的扩散行为、超声驻波定点聚集的三者协同作用下，使所述第一批螺旋纳米机器人所携带的配体与所述靶细胞的表面受体接触和识别，并利用空间成像技术记录所述第一批螺旋纳米机器人与所述靶细胞接触过程中的位置，得到时间序列螺旋纳米机器人运动轨迹图像；
s4，当所述第一批螺旋纳米机器人携带的任一配体与所述靶细胞表面的受体特异性识别成功时，所述第一批螺旋纳米机器人通过胞吞的方式进入细胞内部；
s5，处理所述时间序列螺旋纳米机器人运动轨迹图像，得到磁场驱动所述第二批螺旋纳米机器人的优选路径；
s6，按照所述优选路径驱动所述第二批螺旋纳米机器人快速运动至所述靶细胞位置，并通过螺旋穿刺方式直接进入细胞内部；
s7，对进入细胞内部的第一批螺旋纳米机器人和第二批螺旋纳米机器人施加交变磁场，以释放自身搭载药物，完成所述靶细胞内部给药。
2.根据权利要求1所述的细胞靶向场控螺旋纳米机器人分批给药方法，其特征在于，所述第一批螺旋纳米机器人携带至少包括如下任两种特异性配体：叶酸配体、转铁蛋白配体、上皮生长因子配体、尿酸激酶配体、低密度脂蛋白配体、促黄体激素释放激素配体、肿瘤坏死因子配体。
3.根据权利要求1所述的细胞靶向场控螺旋纳米机器人分批给药方法，其特征在于，所述空间成像技术包括声成像、磁性颗粒成像和近红外荧光成像。
4.根据权利要求1所述的细胞靶向场控螺旋纳米机器人分批给药方法，其特征在于，所述步骤s2中的超声驻波定是两束方向相反、频率和幅值相同的超声波叠加而形成的声波，其中，所述超声驻波对附近的第一批螺旋纳米机器人产生的沿梯度方向的压力作用，使所述第一批螺旋纳米机器人聚集在驻波的波节位置，调整超声频率设置驻波波节的空间位置恰位于所述靶细胞处，使所述第一批螺旋纳米机器人形成位置可控的空间焦点聚集。
5.根据权利要求1所述的细胞靶向场控螺旋纳米机器人分批给药方法，其特征在于，所述时间序列螺旋纳米机器人运动轨迹图像反映所述第一批螺旋纳米机器人运动过程中的平面位置和深度信息的图像数据信息。
6.根据权利要求5所述的细胞靶向场控螺旋纳米机器人分批给药方法，其特征在于，通过利用所述图像数据信息对所述第一批螺旋纳米机器人起始点和所述靶细胞位置点之间以最短路径为目标进行拟合，得到所述优选路径，以便于磁场控制的第二批螺旋纳米机器人快速到达所述靶细胞的位置。
7.根据权利要求1所述的细胞靶向场控螺旋纳米机器人分批给药方法，其特征在于，所述第二批螺旋纳米机器人具有亲水性，其自发的贴合到脂质双分子层结构的细胞膜上，再通过磁场控制的螺旋运动对细胞膜的穿刺，使所述第二批螺旋纳米机器人进入所述靶细胞的内部。
8.根据权利要求1所述的细胞靶向场控螺旋纳米机器人分批给药方法，其特征在于，所述步骤s7中搭载药物选自美登素及其衍生物、紫杉醇及其衍生物、澳瑞他汀及其衍生物、阿霉素及其衍生物、博来霉素及其衍生物、更生霉素及其衍生物、普卡霉素及其衍生物和顺铂中的任一种或多种。
技术总结