因此，科學(xué)家們一直在努力讓這些“小家伙”步子邁得更快一點(diǎn)。而現(xiàn)在，我們離這個(gè)美好愿景邁進(jìn)了一大步！

 

　　近日，中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了一種可編程、基于 DNA 折紙技術(shù)的納米機(jī)器人系統(tǒng)，這種納米機(jī)器人可找到腫瘤，然后阻斷血液供應(yīng)來影響腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移。

 

 

 

　　中國科學(xué)院國家納米科學(xué)與技術(shù)中心（NCNST）趙宇亮和丁寶全兩位博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)與美國亞利桑那州立大學(xué)（ASU）生物設(shè)計(jì)研究所分子設(shè)計(jì)和仿生學(xué)中心主任顏灝博士的實(shí)驗(yàn)室合作，在《自然生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）雜志上發(fā)表了題為“ A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo ”一文，文章對這種納米機(jī)器人及其工作原理進(jìn)行了詳細(xì)描述。

 

　　研究人員稱，通過選擇性地切斷血液供應(yīng)來“餓死”腫瘤的效果是很引人注目的。例如，如果阻斷血液，幾個(gè)小時(shí)就能夠從腫瘤的狀態(tài)看到效果，并且適用于幾乎任何類型的腫瘤。

 

 

　　丁寶全研究員與中科院院士趙宇亮

 

　　顏灝博士

 

　　為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，顏灝團(tuán)隊(duì)將 DNA 折紙技術(shù)作為這個(gè)DNA 納米機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)，從而將凝血酶特異性地遞送至腫瘤，并在腫瘤供血血管中形成血栓，但不影響健康組織中的脈管系統(tǒng)。

 

　　通過對攜帶乳腺癌、黑色素瘤、卵巢癌和肺癌的小鼠進(jìn)行試驗(yàn)，研究人員找出了 DNA 納米機(jī)器人在癌癥供血血管中的“安營扎寨”方式，有效切斷了腫瘤的氧氣和營養(yǎng)物“供給生命線”。

 

　　這種方法可以控制腫瘤代謝，讓腫瘤發(fā)育不良，并可抑制部分腫瘤的轉(zhuǎn)移。

 

　　更重要的是，研究人員發(fā)現(xiàn)納米機(jī)器人是安全的，并且在對正常小鼠和豬中進(jìn)行的試驗(yàn)中，其并沒有引發(fā)這些動物的免疫應(yīng)答。

 

 

　　“我們?yōu)榉浅＞_的藥物設(shè)計(jì)和靶向癌癥治療開發(fā)了首個(gè)完全自主的 DNA 機(jī)器人系統(tǒng)，”顏灝博士稱，“此外，由于所有實(shí)體瘤的供血血管基本相同，這項(xiàng)技術(shù)可用于多種類型癌癥。”

 

　　8 只接受治療的小鼠中，3只的腫瘤完全消退

 

　　該項(xiàng)目開始于 5 年前，當(dāng)時(shí) NCNST 的研究人員首次考慮使用基于 DNA 的納米載體誘導(dǎo)血液凝固從而切斷腫瘤的血液供應(yīng)。顏灝在 DNA 折紙技術(shù)方面研究上造詣?lì)H深，這使得他可以將納米醫(yī)學(xué)概念升級為完全可編程的機(jī)器人系統(tǒng)。

 

　　“這些納米機(jī)器人可以通過編程來傳輸分子有效載荷，引起局部腫瘤血液供應(yīng)受阻，從而導(dǎo)致組織死亡、腫瘤縮小。”丁寶全教授指出。

 

　　每個(gè)納米機(jī)器人都由一個(gè)扁平的矩形 DNA 折紙制成，其面積僅為 90 nm×60 nm，厚度僅為 2 nm。將四個(gè)凝血酶分子連接到這個(gè)“折紙板（origami sheet）”表面，然后將其卷成空心管，使凝血酶分子包裹在管內(nèi)。

 

 

　　形成片狀結(jié)構(gòu)的DNA可卷曲為管狀以攜帶藥物

 

　　這些管結(jié)構(gòu)通過緊固件鏈固定在一起，緊固件鏈包括設(shè)計(jì)為核仁素（在腫瘤相關(guān)的內(nèi)皮細(xì)胞上特異性表達(dá)的蛋白質(zhì)）的 DNA 適體分子，最終的結(jié)構(gòu)是直徑約為 19nm，長度約為 90nm 的空心管狀 DNA 納米機(jī)器人。

 

 

　　搭載凝血酶的片狀DNA

 

　　首先，該團(tuán)隊(duì)使用熒光信標(biāo)來確認(rèn)，當(dāng)與核仁素結(jié)合時(shí)，納米機(jī)器人如預(yù)期那樣展開。然后，他們進(jìn)行了一系列體外實(shí)驗(yàn)，以表明負(fù)載凝血酶的納米機(jī)器人（nanorobot-Th）可引起血液凝結(jié)。

 

　　接下來，研究人員對小鼠模型內(nèi)的納米機(jī)器人進(jìn)行了評估。熒光成像研究表明納米機(jī)器人聚集在實(shí)驗(yàn)小鼠所攜帶的乳腺癌內(nèi)并與腫瘤血管內(nèi)皮結(jié)合。進(jìn)一步分析表明，納米機(jī)器人可在給藥 24 小時(shí)內(nèi)，導(dǎo)致腫瘤血管閉塞；48 小時(shí)后出現(xiàn)進(jìn)行性血栓，72 小時(shí)后，在所有腫瘤血管中出現(xiàn)明顯的致密血栓。令人鼓舞的是，所有動物的主要器官均沒有血栓或出現(xiàn)其他異常，“這證明血栓形成對腫瘤血管系統(tǒng)具有特異性，”作者說道。

 

　　對攜帶腫瘤的小鼠所進(jìn)行的其他研究證實(shí)，注射納米機(jī)器人的腫瘤生長更慢。這顯示出其抑制腫瘤生長的治療效果，并且動物存活率顯著增加。

 

　　納米機(jī)器人療法在黑色素瘤小鼠模型中特別有效，在八只接受治療的小鼠中，三只的腫瘤完全消退，其存活時(shí)間也為存活中時(shí)的兩倍。納米機(jī)器人療法還有效地阻止了肝臟中黑素瘤轉(zhuǎn)移進(jìn)程，“這可能是由于原發(fā)性腫瘤發(fā)展受到抑制或血管化轉(zhuǎn)移出現(xiàn)消退，”研究人員寫道。

 

 

　　DNA片段與腫瘤細(xì)胞特有蛋白質(zhì)的結(jié)合

 

　　對大型動物的正常組織絕對安全

 

　　該小組還對兩種不同的哺乳動物進(jìn)行了廣泛的安全性研究，其中包括巴馬小型豬。這種動物在生理和解剖學(xué)上與人類非常相似。“研究證明，在正常小鼠和巴馬小型豬中使用這種納米機(jī)器人是安全的而且不引起免疫應(yīng)答。在正常血液凝固或細(xì)胞形態(tài)上，也沒有可檢測到變化，”趙宇亮教授評論道。

 

　　更重要的是，沒有證據(jù)可以表明納米機(jī)器人會進(jìn)入大腦。與對照組相比，使用 nanorobot-Th 系統(tǒng)治療并沒有導(dǎo)致凝血參數(shù)或組織學(xué)形態(tài)上出現(xiàn)任何顯著變化，這表明這種納米機(jī)器人對大型動物的正常組織是絕對安全的。

 

 

　　“DNA 納米機(jī)器人傳遞凝血酶是 DNA 納米技術(shù)在癌癥治療應(yīng)用中的重大進(jìn)步，”顏博士說，“在黑色素瘤小鼠模型中，納米機(jī)器人不僅可影響原發(fā)腫瘤，還阻止了腫瘤轉(zhuǎn)移。這顯示出其在治療中大有可為。”

 

　　合理設(shè)計(jì)的攜帶各種藥物的不同納米機(jī)器人組合可能有助于實(shí)現(xiàn)癌癥研究的最終目標(biāo)：根除實(shí)體瘤和血管化轉(zhuǎn)移瘤。此外，目前，這種技術(shù)可以開發(fā)為治療其他疾病的藥物遞送平臺通過修改納米結(jié)構(gòu)，靶向組和負(fù)載貨物的幾何形狀來治療其他疾病。

 

　　“DNA 納米機(jī)器人系統(tǒng)，例如我們在此描述的具有靶向和觸發(fā)釋放特性的系統(tǒng)，可激發(fā)用不同的靶向配體修飾的新型癌癥治療劑的設(shè)計(jì)從而介導(dǎo)多種生物活性有效負(fù)荷的遞送，諸如 siRNA 、化學(xué)治療劑或肽藥物”，研究團(tuán)隊(duì)建議道。

 

　　目前，他們現(xiàn)在正在尋找合作伙伴來共同把這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于臨床實(shí)踐。