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药物入脑的必经之路:脑癌药物输送系统中的金属3D打印零件

2016-04-15 09:22
蓝林笑生
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  神经胶质瘤(Diffuse Intrinsic Pontine Glioma)通常发生在10岁以下的儿童群体,这是一种死亡率极高的脑癌,迄今为止医学界仍在探索治疗此类疾病的方法。Bristol皇家儿童医院的神经外科医生尝试通过脑部的药物输送手术将药物输送到肿瘤组织中来治疗该疾病。

  手术预规划软件、手术机器人和药物输送系统在治疗过程中为医生提供完整的技术支持。治疗药物将通过导液管直接进入到肿瘤组织内部,导液管在穿刺进入大脑之前首先会在一个经皮口处进行汇合。

  这个经皮口是通过金属3D打印和机械加工相结合的方式制造的。金属经皮口作为药物输送系统中一个“不起眼”的小零件有什么玄机? 它将怎样配合药物输送系统进行脑癌的治疗?

  人脑的天然屏障

  在了解这个问题之前,我们先来了解一个医学概念-血脑障壁(Blood-Brain-Barrier,BBB)。

  什么是“血脑障壁”呢?一百年前,生物学家发现若将蓝色染剂注入动物的血管内,除了脑以及脊髓以外的组织,身体其它部位通通都变成蓝色。为了解释这个现象,科学家认为避免物质由血液进入脑部的血脑障壁应是存在的。随着科学的日益进步,现今科学对于血脑障壁之结构与功能有了较具体的了解。总的来说,血脑障壁有以下三个重要功能:

  1、保护脑部不受血液中外来物质的伤害

  2、保护脑部远离来自身体其它部位之荷尔蒙与神经传导物质之影响

  3、维持脑中环境的衡定

  也就是说由于人脑的血脑障壁功能,依靠化疗的方法来治疗脑癌的难度就增加了。因为常规的化疗方法是依靠血液循环将药物输送到肿瘤组织,从而杀死癌细胞,但是血脑障壁功能会阻碍药物进入脑组织。

  怎样绕开血脑障壁来治疗脑癌等疾病呢?Bristol 皇家儿童医院的脑神经外科医生尝试了一种新的治疗方法。

  绕开屏障

  Bristol 皇家儿童医院的脑神经外科医生的新方法原理是通过绕开血脑障壁将化疗药物直接推送到脑肿瘤组织,从而避免药物在血液循环中受到血脑屏障的阻碍。2013年该团队已使用同样的方法进行了治疗帕金森症的二期临床试验。

  将药物输送至脑部指定位置需要借助规划性的、精密性软件和设备。雷尼绍(Renishaw)公司为外科医生提供了完整的解决方案,包括:

  · 手术预规划软件neuroinspire帮助神经外科医生进行手术规划。

  · 神经外科手术机器人(neuromate stereotactic robot),任务是将穿刺针、电极等器械准确送到预定靶点,协助医生完成手术。

  通过这些技术,微型导液管、电极等植入物可以按照预规划的角度插入到脑部的指定位置。在Bristol 皇家儿童医院探索的新治疗方法中,是通过多条插入脑部的导液管将药物输送到肿瘤组织内部。使用的药物管理装置是对流增强型输注装置(CED),作用是让输送的药物在高浓度和更大面积的情况下更加均匀,将药物保留在需要的脑组织内,并减少副作用。通过这个附着在经皮口外部的装置,药物被输送到患者脑部。通过这些装置可以间歇性的给药,以控制药物输送的率。

  上图展示了药物输送系统。在左图中,患者耳后的金属孔是金属3D打印的经皮口。在右图中,位于患者耳后的是4根导液管和金属3D打印的药物管理装置,该装置附着在经皮口外面。通过这些导管和金属零件,药物被间歇性的输送到大脑,其输送率可以得到控制。

  4根外部导液管在植入到头骨中的经皮口处进行汇集,并通过经皮口内部微小而复杂的通道连接到已经穿刺到脑部的导液管。治疗药物则顺着外部导液管、经皮口、内部导液管进入到肿瘤组织。

  金属经皮口中包含的微小而复杂的内部通道,以及类似于人体头骨的纹理特征都决定了3D打印是理想的制造方法。由于对经皮口的精度要求极高,在完成3D打印之后还需要进行精加工。

  金属3D打印的经皮口虽然是整个脑癌治疗过程中一个不起眼的小零件,但它是药物进入到大脑的必经之路,一边连接着外部的药物输送装置,另一边连接着内部导液管。因此它不仅需要具有良好的生物相容性,还需要保证药物流畅、顺利的输入到内部的导液管中。同样的药物输送装置不仅可以用于治疗脑癌,还可以用来治疗其他神经外科疾病。

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