癌症新療法?運用奈米機器人找到並餓死癌細胞

作者 | 發布日期 2018 年 02 月 21 日 8:00 | 分類 奈米 , 機器人 , 醫療科技 follow us in feedly

一直以來,如何殺死癌細胞都是科學家希望能夠解決的問題,但醫療效果始終有限。而現在,一組由多國科學家組成的研究團隊找到一種新方法,或許能夠消滅癌細胞,他們用奈米機器人限制腫瘤的血液供應,有效的讓腫瘤細胞缺乏營養而死亡。



美國亞利桑那州立大學(Arizona State University, ASU)與中國科學院國家奈米科學中心(National Center for Nanoscience and Technology[NCNST], of the Chinese Academy of Sciences)合作,成功以奈米機器人切斷腫瘤細胞的血液供應,讓腫瘤縮小。這項首次在小鼠乳癌、黑色素瘤、卵巢癌以及肺癌模型成功進行的研究成果已發表於科學期刊《Nature Biotechnology》。

研究主持人、亞利桑那州立大學生物設計研究所分子設計與仿生研究中心(ASU Biodesign Institute’s Center for Molecular Design and Biomimetics)主任 Hao Yan 表示,他們成功研發出完全自動的 DNA 機器人系統,能夠用於精準的藥物設計及癌症標靶治療。除此之外,因為所有實質固態瘤所需要的血液供給系統事實上都是一樣的,因此這項技術還能夠適用於許多不同類型的癌症治療。

奈米醫學(Nanomedicine)是從醫學發展出來的新分支學門,結合奈米科技以研發具有潛力的新療法,像是以非常微小、分子等級的奈米粒子幫助診斷以及治療一些像是癌症等複雜疾病。

在過去,科學家所嘗試的各種癌症療法都無法在不傷害正常細胞的情況下摧毀癌細胞,而奈米醫學發展也遇到相同困難,科學家希望能夠更精細控制奈米機器人的功能,使它能夠在主動快速找到並摧毀癌細胞的同時,也不會傷害其他正常的健康細胞。而這個集合了來自不同國家研究者的團隊成功克服此問題,用一種看似簡單的策略精準挑出癌細胞,並讓腫瘤細胞缺乏養分而死。

這種奈米機器人的設計靈感來自於日本摺紙藝術(origami),但這已經不是日本摺紙第一次啟發新科技,這次 DNA 折疊技術可以讓 DNA 摺疊成比人類毛髮還要小 1 千倍的構造,做為革命性的藥物運送材料及治療方式。而 Yan 教授是 DNA 摺疊(DNA origami)領域的專家,DNA 摺疊這門科學也在過去 20 年中被運用於研發原子等級材料的製造,藉此建構出越來越多種複雜的結構。

(Source:論文

以 DNA 為材料摺疊成的構造可自行摺疊成各種形狀與大小,細微精細的構造比人類毛髮的寬度還要小上 1 千倍,或許不久將來就能夠運用於電子資訊以及藥物的研發革新。

這項研究在 5 年前開始,中國科學院國家奈米科學中心的研究者希望能夠以 DNA 製成材料,並安全攜帶藥物至各類型固態腫瘤位置,針對提供腫瘤養分來源的血管釋出藥物,讓該處血液凝結。後來,研究團隊成功的設計奈米藥物讓它升級成完全程式化的機器人系統,能夠在體內獨立完成整個任務。

在這項研究中,研究團隊以一種知名的小鼠腫瘤模型進行研究,他們將人類的癌細胞注射到老鼠體內,讓癌細胞在老鼠身上大肆生長。當癌細胞開始生長,這些奈米機器人就會開始產生作用。每一個奈米機器人都是由一個長 90 奈米、寬 60 奈米的扁平長方形 DNA 薄板結構摺疊而成,每一個平面上都攜帶凝血酶(thrombin),凝血酶能夠使血管內的血液凝集,導致血液無法流動也無法提供癌細胞生長所需的養分,讓腫瘤組織因此死亡。

每一個薄板狀 DNA 結構大約能夠結合四個凝血酶分子,接著 DNA 會開始像捲紙一樣摺疊成一個中空管狀,這些分子透過靜脈注射進入到老鼠體內,隨著血液在體內各處循環,最後到達腫瘤位置。

這些奈米機器人的程序設定關鍵就在於它們表面的特殊構造 DNA 適體(aptamer),這種 DNA 適體能夠辨認一種被稱為核仁蛋白(nucleolin)的蛋白質。一般健康細胞的表面上並不會帶有核仁蛋白,只有癌細胞的表面上會聚集大量核仁蛋白,因此 DNA 適體就能夠透過辨認核仁蛋白來區分癌細胞與健康細胞。

在 DNA 適體辨認到癌細胞,分子結合上癌細胞血管表面之後,奈米機器人的程式就會被啟動,開始將所攜帶的藥物凝血酶釋放到癌細胞血管,進而阻斷癌細胞養分來源,奈米機器人的作用非常快速,能夠在注射至體內後短短幾小時就大量聚集到腫瘤位置。

研究中,研究團隊首先展現了他們所研發的奈米機器人能夠有效且安全的讓腫瘤開始萎縮。主持這項研究的中國科學院國家奈米科學中心 Yuliang Zhao 教授表示,研究團隊已經證明了奈米機器人在一般小鼠與巴馬小型豬(Bama miniature pigs)體內不會引發免疫反應,而正常血管中也沒有發現凝血現象,一般健康細胞的外型也沒有受到影響。最重要的是,也沒有證據顯示奈米機器人會擴散至腦部,在腦部造成預期外的副作用,如中風等。

同樣參與這項研究的奈米科學中心教授 Guangjun Nie 表示,對於小鼠以及大型動物的正常組織來說,奈米機器人是絕對安全的。這種療法能夠阻斷腫瘤血液供應,在 24 小時內就夠對腫瘤組織造成危害,同時又不會危及其他健康組織。在殺死癌細胞後 24 小時,體內大多數的奈米機器人都能夠被清除分解。兩天後,體內還能找到血栓形成的證據,3 天後,所有腫瘤血管內都能找到血栓塊。

這項技術的精髓在於,他們只讓血栓在腫瘤血管內形成。研究中,8 隻黑色素瘤小鼠中有 3 隻接受了奈米機器人療法,之後腫瘤患部完全復原。牠們存活時間的中位數提升了 2 倍以上,可從 20.5 天延長至 45 天壽命。研究團隊也有以小鼠肺癌模式進行測試,以此模擬人類肺癌患者的療程,結果在接受該療法兩週後,腫瘤組織也有縮小現象。

對於研究團隊來說,這項研究是一項重要里程碑,代表奈米醫學已經進入成熟階段。Yan 表示,以 DNA 奈米機器人運送凝血酶,可說是以 DNA 奈米技術發展癌症療法的一大進步,在小鼠的黑色素瘤中,奈米機器人不只讓原發性腫瘤縮小,也成功阻擋腫瘤進一步轉移,顯示這項技術在醫療實際運用的潛力。

研究團隊認為距離這項技術真正實際運用在醫療的日子已經不遠了,不同設計的奈米機器人結合各種藥物,或許就能達到癌症研究的終極目標,根除腫瘤細胞與轉移擴散。

對於仍在發展的奈米醫學研究來說,將技術從實驗室進展到臨床醫學仍有阻礙需要克服,目前研究團隊現在也正積極尋找臨床研究夥伴,繼續這項技術的研發。如果臨床研究也獲得成功,將會是該領域一項非常重要的突破。

除此之外,這樣的醫療策略或許也能發展成一種藥物運送平台,修改奈米結構細節、改變作用的目標位置以及承載的藥物,就能夠運用在其他疾病的治療。日後奈米機器人不只能夠運用在癌症治療,也能作為運送藥物的方式將藥物送往身體內特定位置,有助於幫助更多患者。

(首圖來源:shutterstock)