文丨癌度醫(yī)學(xué)部
由國家納米科學(xué)中心聶廣軍、丁寶全和趙宇亮課題組與美國亞利桑那州立大學(xué)顏灝課題組等合作研發(fā)的抗腫瘤DNA納米機(jī)器人，于2018年2月12日在Nature的子刊《Nature Biotechnology》上發(fā)表問世。
這是第一個完全自主的DNA機(jī)器人系統(tǒng)，用于精準(zhǔn)的藥物設(shè)計和靶向癌癥治療，是一種可行的革命性的靶向腫瘤治療方式。
開發(fā)納米醫(yī)學(xué)機(jī)器人實現(xiàn)對腫瘤精準(zhǔn)診斷和治療一直是科學(xué)家們夢寐以求的希望。抗腫瘤DNA納米機(jī)器人，它為治療惡性腫瘤提供了全新的智能化策略，開創(chuàng)了未來人類精準(zhǔn)治療的革新模式，一經(jīng)問世就獲得了科學(xué)圈的高度期待。
這次由中國科學(xué)家引領(lǐng)的技術(shù)潮流，驚艷到世界。DNA納米機(jī)器人榮獲2018年度中國科學(xué)十大進(jìn)展，美國《The Scientist》期刊將其與液體活檢、同性繁殖、人工智能一起評選為2018年度世界四大技術(shù)進(jìn)步。
那么這些“小機(jī)器人”是怎么發(fā)揮它們的神奇力量的呢？它較化療、放療、CAR-T等有什么突破性的進(jìn)展和優(yōu)勢呢？
原理
抗腫瘤DNA納米機(jī)器人的基礎(chǔ)是DNA折紙技術(shù)，該技術(shù)于2006年由美國加州理工學(xué)院的Paul Rothemund 博士發(fā)明。DNA折紙技術(shù)能人為的把納米級的DNA長鏈反復(fù)折疊，并用“釘子”加以固定成理想的形態(tài)。
國家納米科學(xué)中心聶廣軍等科學(xué)家通過納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計，讓DNA自己組裝成功能齊全的“機(jī)器人”。“機(jī)器人”的腳和眼睛是DNA的靶向適配機(jī)制，當(dāng)機(jī)器人游走到腫瘤特異表達(dá)的核蛋白（一種特定于腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞表面的蛋白質(zhì)）處，它能精確靶向定位至腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞上。
“機(jī)器人”還有一雙DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)組成的手臂，能抓住凝血酶這個武器，當(dāng)“機(jī)器人”定位腫瘤細(xì)胞后，計算機(jī)會通過編程操控手臂的放出凝血酶，通過激活凝血作用，誘導(dǎo)腫瘤血管栓塞，從而導(dǎo)致腫瘤組織壞死和腫瘤縮小。
實驗過程
研究人員將DNA納米機(jī)器人注射到接種了人類乳腺癌、卵巢癌、黑素瘤和肺癌的小鼠模型和Bama小型豬中，并通過計算機(jī)控制“機(jī)器人”精確靶向定位至腫瘤組織的血管細(xì)胞并精確釋藥，記錄統(tǒng)計血凝情況、藥物消除情況、腫瘤生長情況、小鼠存活率等。
結(jié)果
DNA納米機(jī)器人在48小時內(nèi)在各種腫瘤血管內(nèi)引起大量凝血，且不會引起體內(nèi)其他部位凝血。并且小鼠和Bama小型豬實驗中表明，這種納米機(jī)器人具有良好的安全性和免疫惰性。
DNA納米機(jī)器人的熒光信號僅在接種了乳腺癌的小鼠的腫瘤位置出現(xiàn)，靶向性好。
與對照小鼠相比，DNA納米機(jī)器人給藥21天后體內(nèi)實體瘤重量和大小明顯降低，并延長了小鼠的壽命。在黑色素瘤的模型中，經(jīng)統(tǒng)計納米機(jī)器人能夠阻止黑色素瘤擴(kuò)散到肝臟；此外，肺癌模型中，DNA納米機(jī)器人給藥組的小鼠肺部甚至顯示出自我修復(fù)的能力。雖然這些DNA納米機(jī)器人仍處于小鼠模型階段，還沒有在人類身上進(jìn)行測試，但它們顯示出了治療癌癥的巨大潛力。
項目的研究人員之一聶廣軍表示：
“我們的研究表明，基于DNA的納米載體已經(jīng)被證明是一種有效的、安全的癌癥治療方法?！?，“我們目前正在與一家生物技術(shù)公司合作，將這種革命性技術(shù)轉(zhuǎn)化為一種可行的抗腫瘤治療方法?！?/p>
優(yōu)勢
1）DNA納米機(jī)器人技術(shù)導(dǎo)入人體的是DNA和凝血酶，它們本來就是人體內(nèi)天然存在的物質(zhì)，生物相容性好，不會產(chǎn)生免疫原性，不會像放療藥物一樣對健康細(xì)胞的副作用大，能血管內(nèi)穩(wěn)定工作，完成任務(wù)后在體內(nèi)能自然代謝降解。
2）DNA納米機(jī)器人能精準(zhǔn)地靶向釋藥，高效完成定點藥物輸運功能。
發(fā)展
1）DNA機(jī)器人結(jié)構(gòu)后續(xù)發(fā)展空間大。DNA分子是集柔韌與強(qiáng)健于一身的堿基長鏈，能確保經(jīng)反復(fù)扭曲折疊而不斷裂；目前DNA折紙技術(shù)平臺發(fā)展較好，有專門的設(shè)計軟件用于開發(fā)。只要設(shè)計合理，就可以像拼樂高積木一樣，把許多DNA片段拼成想要的形態(tài)。該研究共同作者顏顥就表示，課題組的初衷就是“找到可以應(yīng)用于人類癌癥治療的納米機(jī)器人的設(shè)計方法”。
2）DNA納米機(jī)器人個頭小，能抵達(dá)身體的各個地方。DNA的電化學(xué)性質(zhì)使其能利用電脈沖、計算機(jī)編程等方式引導(dǎo)定位。納米機(jī)器人能通過設(shè)計成不同三維結(jié)構(gòu)，通過和不同的位點結(jié)合攜帶不同的藥物分子多效對抗腫瘤。
3）目前DNA機(jī)器人缺陷之一就是它們目前只能完成與細(xì)胞表面的分子進(jìn)行合成，如果治療目標(biāo)在細(xì)胞內(nèi)，就會比較棘手。此外，納米機(jī)器人會迅速由肝臟清除或被核酸酶分解。
休斯敦衛(wèi)理公會醫(yī)院和威爾康奈爾醫(yī)學(xué)院的生物醫(yī)學(xué)工程師Mauro Ferrari評價道：
“從小鼠模型到人類是一個巨大的工程。目前尚不清楚靶向核蛋白和遞送凝血酶是否具有臨床意義。
但突破性的是，這是一個平臺，研究人員可以用類似的方法做其他研究，這方面意義深遠(yuǎn)。”
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參考資料：A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo. Nature Biotechnology.2018,36:258–264
Researchers use nanorobots to kill tumors in mice
Cancer-Fighting Nanorobots Programmed To Shrink Tumors
