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癌症新疗法?运用奈米机器人找到并饿死癌细胞

2020-07-25187观看
癌症新疗法?运用奈米机器人找到并饿死癌细胞

一直以来,如何杀死癌细胞都是科学家希望能够解决的问题,但医疗效果始终有限。而现在,一组由多国科学家组成的研究团队找到一种新方法,或许能够消灭癌细胞,他们用奈米机器人限制肿瘤的血液供应,有效的让肿瘤细胞缺乏营养而死亡。

美国亚利桑那州立大学(Arizona State University, ASU)与中国科学院国家奈米科学中心(National Center for Nanoscience and Technology[NCNST], of the Chinese Academy of Sciences)合作,成功以奈米机器人切断肿瘤细胞的血液供应,让肿瘤缩小。这项首次在小鼠乳癌、黑色素瘤、卵巢癌以及肺癌模型成功进行的研究成果已发表于科学期刊《Nature Biotechnology》。

研究主持人、亚利桑那州立大学生物设计研究所分子设计与仿生研究中心(ASU Biodesign Institute’s Center for Molecular Design and Biomimetics)主任 Hao Yan 表示,他们成功研发出完全自动的 DNA 机器人系统,能够用于精準的药物设计及癌症标靶治疗。除此之外,因为所有实质固态瘤所需要的血液供给系统事实上都是一样的,因此这项技术还能够适用于许多不同类型的癌症治疗。

奈米医学(Nanomedicine)是从医学发展出来的新分支学门,结合奈米科技以研发具有潜力的新疗法,像是以非常微小、分子等级的奈米粒子帮助诊断以及治疗一些像是癌症等複杂疾病。

在过去,科学家所尝试的各种癌症疗法都无法在不伤害正常细胞的情况下摧毁癌细胞,而奈米医学发展也遇到相同困难,科学家希望能够更精细控制奈米机器人的功能,使它能够在主动快速找到并摧毁癌细胞的同时,也不会伤害其他正常的健康细胞。而这个集合了来自不同国家研究者的团队成功克服此问题,用一种看似简单的策略精準挑出癌细胞,并让肿瘤细胞缺乏养分而死。

这种奈米机器人的设计灵感来自于日本摺纸艺术(origami),但这已经不是日本摺纸第一次启发新科技,这次 DNA 折叠技术可以让 DNA 摺叠成比人类毛髮还要小 1 千倍的构造,做为革命性的药物运送材料及治疗方式。而 Yan 教授是 DNA 摺叠(DNA origami)领域的专家,DNA 摺叠这门科学也在过去 20 年中被运用于研发原子等级材料的製造,藉此建构出越来越多种複杂的结构。

癌症新疗法?运用奈米机器人找到并饿死癌细胞

以 DNA 为材料摺叠成的构造可自行摺叠成各种形状与大小,细微精细的构造比人类毛髮的宽度还要小上 1 千倍,或许不久将来就能够运用于电子资讯以及药物的研发革新。

这项研究在 5 年前开始,中国科学院国家奈米科学中心的研究者希望能够以 DNA 製成材料,并安全携带药物至各类型固态肿瘤位置,针对提供肿瘤养分来源的血管释出药物,让该处血液凝结。后来,研究团队成功的设计奈米药物让它升级成完全程式化的机器人系统,能够在体内独立完成整个任务。

在这项研究中,研究团队以一种知名的小鼠肿瘤模型进行研究,他们将人类的癌细胞注射到老鼠体内,让癌细胞在老鼠身上大肆生长。当癌细胞开始生长,这些奈米机器人就会开始产生作用。每一个奈米机器人都是由一个长 90 奈米、宽 60 奈米的扁平长方形 DNA 薄板结构摺叠而成,每一个平面上都携带凝血酶(thrombin),凝血酶能够使血管内的血液凝集,导致血液无法流动也无法提供癌细胞生长所需的养分,让肿瘤组织因此死亡。

每一个薄板状 DNA 结构大约能够结合四个凝血酶分子,接着 DNA 会开始像捲纸一样摺叠成一个中空管状,这些分子透过静脉注射进入到老鼠体内,随着血液在体内各处循环,最后到达肿瘤位置。

这些奈米机器人的程序设定关键就在于它们表面的特殊构造 DNA 适体(aptamer),这种 DNA 适体能够辨认一种被称为核仁蛋白(nucleolin)的蛋白质。一般健康细胞的表面上并不会带有核仁蛋白,只有癌细胞的表面上会聚集大量核仁蛋白,因此 DNA 适体就能够透过辨认核仁蛋白来区分癌细胞与健康细胞。

在 DNA 适体辨认到癌细胞,分子结合上癌细胞血管表面之后,奈米机器人的程式就会被启动,开始将所携带的药物凝血酶释放到癌细胞血管,进而阻断癌细胞养分来源,奈米机器人的作用非常快速,能够在注射至体内后短短几小时就大量聚集到肿瘤位置。

研究中,研究团队首先展现了他们所研发的奈米机器人能够有效且安全的让肿瘤开始萎缩。主持这项研究的中国科学院国家奈米科学中心 Yuliang Zhao 教授表示,研究团队已经证明了奈米机器人在一般小鼠与巴马小型猪(Bama miniature pigs)体内不会引发免疫反应,而正常血管中也没有发现凝血现象,一般健康细胞的外型也没有受到影响。最重要的是,也没有证据显示奈米机器人会扩散至脑部,在脑部造成预期外的副作用,如中风等。

同样参与这项研究的奈米科学中心教授 Guangjun Nie 表示,对于小鼠以及大型动物的正常组织来说,奈米机器人是绝对安全的。这种疗法能够阻断肿瘤血液供应,在 24 小时内就够对肿瘤组织造成危害,同时又不会危及其他健康组织。在杀死癌细胞后 24 小时,体内大多数的奈米机器人都能够被清除分解。两天后,体内还能找到血栓形成的证据,3 天后,所有肿瘤血管内都能找到血栓块。

这项技术的精髓在于,他们只让血栓在肿瘤血管内形成。研究中,8 只黑色素瘤小鼠中有 3 只接受了奈米机器人疗法,之后肿瘤患部完全复原。牠们存活时间的中位数提升了 2 倍以上,可从 20.5 天延长至 45 天寿命。研究团队也有以小鼠肺癌模式进行测试,以此模拟人类肺癌患者的疗程,结果在接受该疗法两週后,肿瘤组织也有缩小现象。

对于研究团队来说,这项研究是一项重要里程碑,代表奈米医学已经进入成熟阶段。Yan 表示,以 DNA 奈米机器人运送凝血酶,可说是以 DNA 奈米技术发展癌症疗法的一大进步,在小鼠的黑色素瘤中,奈米机器人不只让原发性肿瘤缩小,也成功阻挡肿瘤进一步转移,显示这项技术在医疗实际运用的潜力。

研究团队认为距离这项技术真正实际运用在医疗的日子已经不远了,不同设计的奈米机器人结合各种药物,或许就能达到癌症研究的终极目标,根除肿瘤细胞与转移扩散。

对于仍在发展的奈米医学研究来说,将技术从实验室进展到临床医学仍有阻碍需要克服,目前研究团队现在也正积极寻找临床研究伙伴,继续这项技术的研发。如果临床研究也获得成功,将会是该领域一项非常重要的突破。

除此之外,这样的医疗策略或许也能发展成一种药物运送平台,修改奈米结构细节、改变作用的目标位置以及承载的药物,就能够运用在其他疾病的治疗。日后奈米机器人不只能够运用在癌症治疗,也能作为运送药物的方式将药物送往身体内特定位置,有助于帮助更多患者。

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