DNA 橡木桶? 奈米魔鬼沾? 一探《極樂世界》醫療床的科學原理

作者 | 發布日期 2013 年 08 月 09 日 13:31 | 分類 奈米 , 尖端科技 , 生物科技
elysium

再過6小時就開始週休二日的假期,要去看電影嗎?由麥特戴蒙主演的科幻電影《極樂世界》(Elysium),描述2154年的人類分成兩個世界:地表上充滿著頹圮、絕望與混亂失序,是窮人的世界;地球上空的「極樂世界太空站」,整齊清潔、明亮優美,充滿著輕鬆休閒的氣氛,是富人的世界。二十幾萬有錢人住在有如比佛利山之類的豪宅區,他們掌握了地球上的各種資源,卻不必跟普通人一樣忍受惡劣糟糕的生活環境。



沒有疾病、長壽美麗

其實一般人也不見得一定要進去戒備森嚴的極樂世界,但那裡有著一項神乎奇技的醫療科技,幾乎可以治好人類所有的疾病:只要躺在Med-Pod 3000醫療床上,所有疾病迅速診斷並治療完畢,連癌症都像小感冒一樣簡單;Med-Pod 3000還能維持人體各項機能不衰減,平均壽命是以往的三倍;當然醫療美容的功能也不缺,除了可以常保年輕,遇到外傷要全臉部重建,過程只需要40.23秒。

elysium
(Photo Credit: Sony Pictures)

相對於極樂世界如此先進的醫療水準,地表上的醫院看起來卻跟我們現在沒什麼兩樣,醫療技術也沒有改變,經過一百多年,白血病還是絕症。因此人們瘋狂地冒著生命危險要偷渡去極樂世界,往往只是為了一下船就立刻闖入民宅,然後把自己快病死的孩子放在醫療床上治病,等到警衛衝進來逮捕時,病也治好了。

Med-Pod 3000
(Photo Credit: Armadyne)

這張令人印象深刻的醫療床,究竟是從哪一種科技延伸出來的科幻梗?當人躺好,護罩蓋上,裡面轉一圈就開始所謂的「霧化」(Atomizing)程序,又是噴了什麼東西到人身上?醫療床官網上的 " nanobotic blood cell" 給了我們一個方向:奈米科技。透過跟細胞差不多大小的「奈米機器人」進入人體辦事,已經是大家很熟悉的概念了,不過卻還不是一項普及的技術。2012年有兩項奈米科技研究發表,都是朝著《極樂世界》美好的醫療遠景邁進,不過哪一項技術比較接近那張醫療床呢?

DNA 橡木桶

哈佛大學威斯生物工程中心研發出一種利用 DNA 製作的裝置,可以在像人體這樣充滿眾多種類細胞的環境中尋找出特定類型的細胞,接著對它執行某種特定的程序。若以治療癌症為例,這種裝置在人體內尋找癌細胞,找到後,對它們下達自毀指令,癌細胞就殺光了。未來,這樣的裝置也可能做為促進免疫系統功能的途徑。

這份刊登在「科學」雜誌的研究,利用 DNA 摺紙術(DNA Origami)將長長的 DNA 鏈像摺紙一樣疊起來。研究者製造出一種奈米大小的「機器人」,概念像是一個橡木桶,桶子上有特殊 DNA「閂鎖」,負責尋找與辨認特定的細胞表面蛋白質,包含一些具疾病特徵的。閂鎖找到這些蛋白質後,「橡木桶」就會釋放出裡面一些先經過編碼的分子,他們專門與這些細胞表面的受體產生作用,進而影響這些細胞。

他們的研究分別針對白血病與淋巴瘤,當找到這些癌細胞後,編碼在抗體片段裡面的「指令」便會啟動癌細胞的「自殺」程序─一種其實是針對老化的或變異的細胞的正常自毀功能,如此一來癌細胞就死了。

DNA barrel nanotechnology
▲DNA摺疊成桶狀在血管中抓壞的細胞,找到後便會釋放桶中的分子對付壞細胞。 (Photo Credit: Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard)

目標高度針對性免殃及無辜

他們的設計克服了一些障礙,例如這個「DNA 橡木桶」沒有上下蓋,因此將帶有編碼訊息的分子裝填進去很容易,不用「打開蓋子」「關上蓋子」;他們針對更容易發現的細胞表面蛋白質,且都是跨(細胞)膜蛋白,下指令更容易;這整個過程是模仿白血球在血管裡的巡邏、追捕、啟動敵人「自殺」程序的過程,而且他們攜帶的編碼訊息是模組化的概念,因此這套方法將來可以發展成針對各種不同疾病都可應用,只要知道敵人是誰,就可以快速對症下藥。

這套由 Shawn Douglas、William Shih 等人開發出的療法最令人感動之處在於治療的目標是高度針對性的,不會有殃及無辜的問題。就以治療癌症來說,化學治療的原理是殺光人體內生長快速的癌細胞,但同時也殺死了其他生長也很快的細胞,例如頭髮,這是化療會掉髮的原因;放射線治療則是直接照射癌細胞把它們燒死,但癌細胞周圍的正常細胞也會被照到,就好像直接猛攻恐怖份子,也會把人質一起殺死的狀況。


奈米魔鬼沾

在這項研究發表的10個月後,2012年12月,日本基幹研究所與美國加州大學洛杉磯分校共同發表了「奈米魔鬼沾」,可以把腫瘤細胞從主要的生長地剝離,也可以捕捉在血管內暴走的腫瘤細胞,讓它們來不及殖民到別的地方。此外,它還可以做為一種非侵入性的癌症檢測工具,同時也可以研究癌症在身體內散佈的模式。

而且,因為「奈米魔鬼沾」是「活逮」這些有害的細胞,因此事後還可以把他們統統「押解」回實驗室,不是為了「起訴」「審判」,而是讓科學家有機會進行活體實驗。

velcro nanotechnology
▲攝氏37度時「魔鬼沾」會緊抓腫瘤細胞(左),4度時會放開(右)(Photo Credit: 基幹研究所)

這項由基幹研究所主研究員尤嘯華博士及洛杉磯分校分子醫藥學部助理教授曾憲榮博士領導的研究,刊登在12月17日的「先進材料」(Advanced Materials)期刊。其實類似的技術之前也發表過,但由兩位同樣出身自台大化學系科學家的研究,不論在腫瘤細胞捕捉與釋放都非常有效率。「奈米魔鬼沾」在血管中像過濾器,上頭的分子結構可以附著在腫瘤細胞上;在攝氏37度、也就是人體正常體溫範圍內,「奈米魔鬼沾」上的聚合物小刷子會緊緊黏住腫瘤細胞,如需釋放腫瘤細胞,把溫度降到4度即可。釋放的效率介於40%至70%。

迷人的科學體驗

尤嘯華表示,目前為止大多數裝置都展現高效率的捕捉技術,但釋放這些腫瘤細胞以便保存與研究以獲得更多資訊也同樣重要,這是我們的研究成果與其他相比最大的不同。

看完了兩項研究的敘述,你可能會覺得「DNA 橡木桶」比較接近《極樂世界》那張醫療床的科學原理吧。科學的迷人之處在於很多原本只是科幻的東西都有實現、讓世界變得更好的機會,透過電影相關科技進步,這些年來我們甚至可以提早看到擬真的、未來世界的樣貌(當然不希望像《極樂世界》那麼慘),運氣好的話,有生之年說不定真有機會親自體驗呢。

Med-Pod 3000
(Photo Credit: Armadyne)

(Opening Photo Credit: Sony Pictures)

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後記
尤嘯華,1992年國際奧林匹亞化學金牌獎得主,保送台灣大學化學系。曾憲榮,1998年中華民國國立台灣大學化學博士班畢業,論文「硫縮醛的新型態反應」。 

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