激光散斑血流成像系統(tǒng)的應用：微納機器人新突破管內靶向給藥新策略
微納米機器人從內部或外部環(huán)境獲取能量，從而實現(xiàn)主動運動。由于它們體積小，運動可控等特性使其能夠廣泛地應用于生物醫(yī)學領域，尤其是血管內系統(tǒng)，如血栓清除、傷口愈合和藥物輸送。然而，實時跟蹤這些機器人群一直是一項挑戰(zhàn)，尤其是對于依賴于長時間暴露于電離輻射的成像模式。
近期，香港中文大學張立教授團隊聯(lián)合東南大學王乾乾教授團隊，在Science Robotics 在線發(fā)表題為“Tracking and navigation of a microswarm under laser speckle contrast imaging for targeted delivery”的研究論文。博士生王慶龍與王乾乾教授為論文共同第一作者。研究報告了利用激光散斑對比血流成像技術（研究人員使用了瑞沃德生產的激光散斑血流成像系統(tǒng)）實時跟蹤血管內的磁性納米機器人集群并引導它們進行血管內導航的研究。研究結果展示了在激光散斑對比成像（LSCI）引導下對微集群在體內外復雜血液環(huán)境中進行高對比度成像和導航的潛力。這些發(fā)現(xiàn)為改進有針對性的血管內給藥提供了機會。
圖 1. 基于 LSCI 的微集群實時追蹤定位策略示意圖
本研究首先提出了一種控制與追蹤策略，在該策略下，利用LSCI技術可以實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)血液環(huán)境中實時跟蹤和導航微集群。該技術具有大成像視野、高時空分辨率和非侵入性等特點，通過分析灌注單元（PU），可以定量研究微群引起的動態(tài)對流變化，為研究微群行為及其與各種血液環(huán)境的相互作用提供了新方法。在該實驗中，LSCI 通過對微集群和周圍環(huán)境進行實時監(jiān)測和成像，并對圖像進行進一步分析，可實現(xiàn)在復雜的血管系統(tǒng)中對微集群的實時跟蹤和導航。
本研究利用Fe₃O₄@SiO₂納米粒子構建了磁性微集群，在旋轉磁場的調控下實現(xiàn)微集群的聚集行為，并通過集群導航實現(xiàn)貼近血管壁的運動行為。在靜態(tài)血液環(huán)境中，微集群的旋轉運動會攪動周圍的紅細胞，LSCI可以檢測紅細胞的運動并轉化為較強的對比度信號。利用這個特性，可以深入研究微集群和周圍血液環(huán)境的相互作用，并通過監(jiān)測紅細胞的運動來評估微集群的動態(tài)對流能力。在動態(tài)血液環(huán)境中，微集群的定位主要依賴于其與周邊血流流速的對比度差異，從而實現(xiàn)微集群在血液循環(huán)系統(tǒng)中的精確追蹤和導航。
圖2. 人體胎盤中微集群的實時追蹤和導航
研究者利用人體胎盤作為模型，進一步研究了在該策略下微集群在真實的組織環(huán)境中的成像和追蹤結果。胎盤具有與人腦相似的軟組織成分和復雜的血管結構，因此被認為是模擬真實血管環(huán)境并研究微集群定位與導航策略的理想模型。通過LSCI技術可以對具有分支結構的真實血管進行全視場成像，從而能夠更有效地追蹤微集群的位置。作者使用醫(yī)用導管將納米顆粒引入胎盤血管中，再利用旋轉磁場控制納米顆粒形成微集群，并測試微集群在順流和逆流條件下在胎盤血管中的追蹤和導航能力。結果顯示，通過實時成像反饋和有效的控制策略，微集群在順流和逆流條件下均能保持穩(wěn)定，并顯示出清晰的成像信號。研究者成功地對胎盤血管中的微集群進行連續(xù)五個周期的追蹤和導航，總共導航距離約為400毫米。
上述結果表明，在LSCI的引導下，作者提出的控制與追蹤策略能夠在人體胎盤血管中實現(xiàn)相對長距離的微集群連續(xù)導航。研究為進一步實現(xiàn)微集群在真實組織環(huán)境中的應用提供了重要的基礎。
圖 3. 活體實驗鼠血管內微集群的實時追蹤和導航
為了進一步驗證微集群在體內的成像效果和導航能力，研究者選擇了大鼠股靜脈作為活體模型，通過使用LSCI技術，實時監(jiān)測微集群在活體血管系統(tǒng)中的形成過程。研究結果顯示，在注射納米顆粒之前，股靜脈中沒有明顯的成像信號；而在注射納米顆粒后，顆粒在磁場的作用下逐漸聚集，并在血管中顯示出微集群的成像輪廓。與聚集過程中的納米顆粒相比，完全形成的微集群展現(xiàn)出更高的成像對比度。
接下來，研究者研究了在LSCI的引導下微集群在血管中的實時追蹤和導航情況。結果顯示，得益于有效的控制策略，在順流和逆流導航過程中，微集群均能始終保持穩(wěn)定和完整的狀態(tài)，沒有明顯的顆粒損失。微集群在股靜脈中展示出強烈的成像對比度，提高了導航的精度，并進一步實現(xiàn)了活體內的高效遞送。定量研究結果表明，約85%的微集群能夠在體內完成順流和逆流導航后成功回收。這些結果證實了LSCI引導下的微集群在體內實時成像和導航的可行性，并為微納米機器人集群在活體內高效遞送的應用提供了有力的支持。
綜上結果，LSCI引導下的磁性微集群可以在體外和體內血管環(huán)境中實現(xiàn)實時追蹤和高精度導航。同時，該方法能夠量化評估微集群與血液環(huán)境的相互作用，并在較高速血流條件下（平均流速55 mm/s）高效輸送微集群。該研究為微納米機器人集群在血液循環(huán)系統(tǒng)中實施主動靶向遞送提供了有效的控制策略，并為基于微納米機器人集群的治療平臺的開發(fā)和臨床應用做出了貢獻。
研究方法亮點
這項工作展示了磁性微集群在血管系統(tǒng)中的形成過程，以及其在LSCI引導下，在復雜血液環(huán)境中實時追蹤和高精度導航微集群的能力。研究過程中分別在體內外血液環(huán)境應用納米粒子構建出磁性微集群，通過高效的控制策略調控微集群的聚集行為，并采用LSCI技術進行實時追蹤和導航。研究為實時追蹤和導航微集群提供了一種有效的方法，展示出LSCI引導的微集群在血管系統(tǒng)中實施主動靶向遞送的巨大應用潛力。
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瑞沃德RFLSI ZW激光散斑血流成像系統(tǒng)
