最新磁性奈米生醫探討

 

刊登日期:2016/11/14
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楊明達/工研院材化所

前言
"International Conference on the Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers"是關於磁性材料技術與生醫結合領域相當專門之會議,每兩年舉辦一次。今年的第11屆會議在加拿大溫哥華舉行,由英屬哥倫比亞大學(UBC)的Urs Häfeli 教授主辦,邀請了磁性生醫相關領域五位傑出的研究學者共襄盛舉。其中,馬里蘭大學教授Benjamin Shapiro的研究小組正在進行磁性標靶治療的研究,並挑戰在體內直接做磁場系統導引和集中到患部,包含在體內之藥物動力學以及磁性奈米顆粒之磁場操作力學控制,可利用磁場集中治療深層患部之藥物釋放,達到精準治療的目的。

目前磁場設計已應用於治療耳朵和眼睛等淺層患部之臨床實驗,其約五公分之操控距離,未來也將用於肝癌等深層患部之治療,進而結合核磁共振影像分析,可精確看到磁場操控藥物於人體分佈之實際影像。




日本東北大學的Tomasz Dietl博士則針對自旋電子元件運用在生醫感測元件做了詳盡介紹。目前自旋電子元件尺寸已可做到11奈米,利用磁性奈米顆粒自組裝方式以及柱狀結構陣列,可做到半導體元件非常小型的感測元件,而自旋電子元件又對於磁性物質非常靈敏,如已廣泛用於磁頭讀寫,因此自旋電子元件對於磁性奈米顆粒結合生物載體或藥物的感測能力,非常適合做相關生物感測運用。
 
哈佛大學醫學院的Hakho Lee博士對於如何利用磁性感測元件來偵測癌細胞,已經發展出相當成熟的可攜帶式癌症檢測產品,打破傳統大型核磁共振量測。由於磁性奈米顆粒對於生物體或藥物具有高度選擇性,可藉由表面改質和鍵結官能基或RNA等方式來選擇所要偵測之腫瘤細胞或病菌,提高感度並大為簡化了測定程序,目前產品開發重點將針對癌症檢測目標前進。
另外,CNRS 研究機構的Maxime Dahan博士針對磁性奈米顆粒和官能基來做控制細胞傳輸訊號的過程,對於研究細胞傳輸訊號機制是細胞生物學中一項重要的挑戰。

最後,Jerome Lewis博士從基礎研究通過綜合藥物化學以及臨床前與臨床研究,到最終獲FDA批准的上市產品做介紹。討論這一切對磁粉產品成功和失敗的真實案例,包括監管障礙以及如何克服,對在此奈米生醫磁性領域的研究人員給出建議。
本文將依此會議之安排方式,做一系列最新的磁性奈米生醫探討。先簡述說明磁性奈米顆粒之藥物載體,繼之介紹目前臨床三期之磁性載體實驗,以及目前磁導引之創新研究和突破,進而說明自旋電子元件之生醫量測運用,最後則針對微型磁場元件發展及其運用做介紹。

磁性奈米顆粒之藥物載體
藥物載體傳輸是治療中重要的一環,這關係到藥物如何有效的傳達到患者之感染處做釋放與治療。藥物載體設計必須要有釋放機制,而藥物釋放方式很多,有聲、光、熱、酸鹼以及磁性等,如圖一所示。其中,磁性奈米顆粒是一個可以導引和藥物釋放兩者兼具的方法,利用直流磁場可將奈米磁性顆粒載具吸引集中,而利用高頻交流磁場則有助於顆粒接支藥物斷開,讓其釋放到患部位置,目前已進行臨床三期的 Magnetic Targeted Carriers - Doxorubicin (MTC-DOX) 就是一個最好磁性藥物載體的例子,如圖二所示。

商業化療劑阿黴素與 MTC 混合物在室溫下 30分鐘,以確保完全的吸收和阿黴素的均勻懸浮,MTC-DOX 懸浮液通過動脈內,利用磁鐵能夠集中在選擇的腫瘤部位給藥。該 MTC 技術是一種創新的技術,因為其獨特的性質,這些微粒可以定位到所希望的位點,外滲進入組織,並且不會因為身體循環問題而使藥物無法有效治療患部,可以可逆地結合化療藥物、肽和蛋白質,或不可逆地結合放射性核素,因此可用於特殊患部位置的化學治療或局部放射治療。MTC-DOX 持續進行人體臨床試驗,證明這些微粒可有效地針對肝臟腫瘤,未來將擴展到其他臨床適應和瘤內放療計劃。



圖一、各種不同利用物理或化學反應對於藥物奈米顆粒載體之釋放機制

磁導引之創新研究和突破
藥物載體設計是生醫工程中重要的一環,而磁場如何操控磁性奈米載體又是另一門學問。一般我們都知道,磁性物質可被磁鐵吸引,但由磁場梯度和分布模擬計算後,發現 ---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


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