近日，精密測量院研究團隊在開發19F MRI “分子無人機”方面取得重要進展。團隊開發出一類具有“水母”形態的氟化功能大分子，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，實現精準的藥物遞送、實時狀態報告、腫瘤檢測與靶向治療等應用(圖1)，為生物醫學領域內復雜分子機器的研發奠定了基礎。相關研究成果近期發表在國際知名期刊《美國國家科學院院刊》(PNAS)上。
 

“水母”形態雙親性氟化大分子無人機的結構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實世界中運輸、監測和戰斗等領域的革新，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、實時狀態報告、定位和導航等無人機基本能力，還需具有結構精確的特性和調控精準的功能。然而，現有分子無人機多存在成分復雜、結構多分散和功能精準調控困難等問題。
 

　　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”，通過調控分子結構實現了對磁共振、熒光、藥物控釋等多種功能的精準調控(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。同時，通過“熱點”19F MRI追蹤和無人機定位，可實現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，實現了分子無人機從細胞到活體多尺度的狀態報告、定位和追蹤等功能。
 

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

　　該研究成果以“Fluorinated Macromolecular Amphiphiles as Prototypic Molecular Drones”為題發表在國際學術期刊《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計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰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