近日，精密測量院研究團隊在開發(fā)19F MRI “分子無人機”方面取得重要進展。團隊開發(fā)出一類具有“水母”形態(tài)的氟化功能大分子，并將其作為“分子無人機”，在氟-19磁共振成像(19F MRI)和熒光成像的引導下，實現(xiàn)精準的藥物遞送、實時狀態(tài)報告、腫瘤檢測與靶向治療等應用(圖1)，為生物醫(yī)學領(lǐng)域內(nèi)復雜分子機器的研發(fā)奠定了基礎。相關(guān)研究成果近期發(fā)表在國際知名期刊《美國國家科學院院刊》(PNAS)上。
 

“水母”形態(tài)雙親性氟化大分子無人機的結(jié)構(gòu)及其在癌癥診斷與治療中的應用
 

　　正如機械無人機促進了現(xiàn)實世界中運輸、監(jiān)測和戰(zhàn)斗等領(lǐng)域的革新，分子水平的無人機有望成為Ehrlich博士(1908年獲諾貝爾獎)等科學家百年來所追求的“Magic Bullet”，為實現(xiàn)重大疾病的準確診斷、靶向給藥和個性化治療帶來新契機。分子無人機不僅需要具備裝載和釋放、實時狀態(tài)報告、定位和導航等無人機基本能力，還需具有結(jié)構(gòu)精確的特性和調(diào)控精準的功能。然而，現(xiàn)有分子無人機多存在成分復雜、結(jié)構(gòu)多分散和功能精準調(diào)控困難等問題。
 

　　針對這些問題，精密測量院研究團隊通過精巧設計，高效合成了一類具有“水母”形態(tài)的雙親性氟化大分子FMA分子無人機。該類分子以四苯乙烯為母核、以部分氟化烷基為藥物抓取臂、以單分散聚乙二醇為水溶性和生物相容性“螺旋槳”，通過調(diào)控分子結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對磁共振、熒光、藥物控釋等多種功能的精準調(diào)控(圖2)。該類分子具有獨特的自聚集模式，即在低濃度下可形成單分子納米顆粒，而在高濃度下則形成多分子納米顆粒，這一特性使其能夠有效負載藥物分子并實時報告藥物負載狀態(tài)。同時，通過“熱點”19F MRI追蹤和無人機定位，可實現(xiàn)溫度和酸堿度響應的藥物釋放。更重要的是，該類分子無人機引入了具有響應性熒光的四苯乙烯基團和具有強烈19F NMR信號的全氟叔丁基基團，利用近程光學成像系統(tǒng)和19F MRI有效模擬無人機中的短距離視覺和遠程無線電信號，實現(xiàn)了分子無人機從細胞到活體多尺度的狀態(tài)報告、定位和追蹤等功能。
 

　　FMA 2的熒光-19F MRI體內(nèi)可視化狀態(tài)報告 (a-c)、體外藥物釋放行為實時監(jiān)測 (d) 和治療效果 (e)
 

　　該研究成果以“Fluorinated Macromolecular Amphiphiles as Prototypic Molecular Drones”為題發(fā)表在國際學術(shù)期刊《美國國家科學院院刊》上。精密測量院碩士生鄭郁潔、博士后朱立軍和碩士生柯常勝為文章共同第一作者，研究員江中興和陳世楨為通訊作者。
 

　　該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項和中國科學院青年交叉團隊項目的資助