中科院研究員劉連慶：納米操作機器人如何應用在淋巴癌等個性化治療中？

雷鋒網按：近日，2017 世界機器人大會人工智慧與機器人青年創新創業專題論壇在京召開，本次論壇由中國電子學會-嵌入式系統與機器人分會主辦，雅瑞資本、真格基金、立德共創承辦，並由多家大學、創投機構、新型企業聯合支持。

在下午的論壇主題演講中，中科院瀋陽自動化研究所研究員劉連慶教授以《微納操控及其在個性化醫療中的應用》為題作了演講。

以下為劉連慶教授演講內容，雷鋒網做了不改變原意的編輯：

我今天的題目主要講和醫療相關，這是一個統計表，一個是美國汽車工業學會，一個是美國製藥學會。醫藥整個行業市場價值遠遠高於汽車工業，這也符合擁有海量市場這麼一個基本的假設。可以想像的到在未來幾十年後，一個家庭可能沒有汽車，但很難想像一個家庭沒有葯，比如像阿司匹林、降血糖的葯現在稍微上點年紀的人都會用這幾種葯。

今天討論一下怎麼把微納技術和醫藥工業的發展結合起來。我是做納米操作機器人的，先介紹一下什麼是納米操作機器人。工業機器人大家見的很多，把結構化的物體高速、高效組裝成人們期望的形狀。但隨著尺度縮小，在顯微鏡的幫助下能夠看到細胞，所以現在又做了微操作機器人，這個比較少見。

但事實上，20 世紀之後幾乎所有生物學的突破都是基於微操作技術發展而來，比如基因、克隆等等，尺度進一步縮小，我們現在看到了低因分子看到碳納米管，我們需要另外一種工具來實現它們的操控。納米看不見也摸不著，有了納米操作機器人不但能夠讓你看得見納米，也能夠讓你觸摸得到納米。

給大家舉一個例子，一個人切割活體神經細胞，做納米操作的時候，不僅能夠看到納米場景的實時變化，通過 leap 反饋手柄，切割活體細胞需要多大的重力。當然在一個細胞膜上穿孔，用各種各樣的方式，採用機械方式，這是推動一根 DNA 分子，直徑大概只有 2 納米。在推動它的時候不止能夠看到 DNA 分子的實時變化，還能感受到推動一根 DNA 分子需要多大的重力。

把人的能力從讓機器人幫人做人也能幹但不想乾的事，把人的能力進一步擴展和提升，讓機器人幫助人去幹人想干但幹不了的事情。我想這是納米操作機器人對機器人的貢獻。

有了這套機器人系統之後能幹些什麼？我們想跟新葯研髮結合起來。這幅圖紅線代表每年對於新葯研發經費的投入，而綠色代表的是每年新葯的產出數，錢越投越多，葯越來越少，並且如果再有一個軸的話是各種各樣新出的疾病也越來越多。

現在整個醫藥界迫切需要新的技術來彌補投入和產出之間的差距。新葯產生的流程不說了，真正的萬里挑一，從一萬個化合物當中篩選，只有一個合格，不幸運的話一個也沒有，為什麼幾年前輝瑞把一個研發中心給關掉，就是因為藥物研發失敗，大概需要花費 15 億美元 ，這是一個基本背景。

藥物研究失敗的主要原因，一個是藥效，一個是毒性。這種葯沒效果或者對有的人有效對有的人沒效，毒性可能對治心臟病對心臟確實好但是把肝傷了。大家現在買葯的時候經常看到「糖尿病患者慎用，心臟病患者慎用」，這種藥物在處理有用的同時還有一些副反應，它把別的細胞殺害了。我們把微納操控技術揉進來，在這兩個領域各做一些貢獻。

個性化醫療，主要做淋巴癌，和北京 307 醫院合作。癌症是第一殺手，大家都不陌生，癌症常規的治療方法就是化療和放療。放療和化療效果還是不錯的，但是它的問題就是副作用太大，用高能的射線對人進行轟擊照射，不止把腫瘤細胞殺死，把所有正常的細胞也都殺死了，這導致放療和化療的人到後來牙齒脫落、頭髮脫落、內分泌失調等等。

後來出來一種新的靶向治療，它的基本原理以淋巴癌為例，在淋巴癌細胞的表面有一種抗體 CD20，這個藥物是 CD20 的抗原，抗體和抗原之間的相互作用就把細胞殺死。由於大部分的抗體只在癌細胞表面存在，人吃完這種葯，葯指向生物導彈一樣黏在癌細胞上，對正常細胞沒有影響，這個藥物獲得巨大成功。但是它的問題，有人有效有人沒效。

著名央視的羅京先生在 307 醫院醫治，他對這種藥物沒效，這種藥物非常貴，一星期就需要花好幾萬。醫生不知道該不該對病人用這種葯，對於像羅京先生經濟條件比較好就一直用，對於一般的人來講，如果一個星期好幾萬，好幾個星期幾十萬就下去了。

醫生找到我們，有沒有什麼辦法研究一下為什麼有人有效有人沒效，這是一個非常複雜的生物學問題。我們要把這個問題工程化想得簡單一些，依靠抗體和抗原的相互作用殺死癌細胞。有人有效有人沒效，是不是細胞表面抗體的密度不一樣？密度越大黏上的葯越多效果越好，或者抗體和抗原之間結合力的大小不一樣，結合力越大效果越好，所以我們有這麼一個基本假設。

我們相信，藥效到最後還是脫離不了牛頓定律，應該還是物理能夠解釋的問題。這就轉變成我們怎麼樣在液體環境裡面活體細胞表面去探測只有幾個納米大的抗體，我們怎麼樣測量抗體和抗原連納級都沒有的作用力。我們做了很多的工作，我只是把結果彙報一下，具體細節不介紹了。

通過對機器人的研究，可以在活體細胞表面精確測出來抗體和抗原之間的作用力是多大，也叫單分子重力，把細胞拿出來之後還能夠對細胞表面抗體的密度表徵出來，從臨床拿了很多的細胞，這就是個性化醫療。

第一個發現，和作用力大小的關係並不是特別大，但是和密度密切相關，密度高了作用效果就好，所有生物學的實驗都要經過成百上千次的測試。但是當我們在測試過程當中發現了另外一個問題，拿活檢的細胞，癌細胞被正常的紅細胞淹沒，我們只想測量癌細胞，不想測量紅細胞。怎麼樣把細胞有效分離，我不想介紹流式細胞儀好幾百萬，熒光染色。

我們是用物理的分離方法，把光子打到物體表面，根據動量定理實現物體的移動，它的問題就是光強特別大，操作細胞的時候，很容易把細胞燒死。我們需要把它分離而對細胞不會產生影響的方式。

我們做了光電鎳的操作方法，光能到電能再到機械能，把光打成什麼樣的形狀，力就是什麼樣的形狀，這個光強只有光鎳的千分之一，但是重力的大小一樣。有了這個光我們進一步發現，由於細胞本身的特徵不一樣，同一束光，對正常細胞和癌細胞產生的力大小不一樣，調節電的頻率和光強，只能推動癌細胞，推動不了正常細胞，來回掃、反覆掃，就能把癌細胞正常細胞分開。

更進一步，如果大家仔細看的話發現癌細胞在高速地旋轉，旋轉的原因是因為癌細胞的急性和正常細胞不一樣。這給我們一個啟示，我們能不能用癌細胞的自旋來做癌症的早期檢測，急性最開始改變，急性表面才有抗體抗原，才能用熒光的方法檢測物理本身的特徵。

在癌變的前一個周期之內已經展現出來，像有心電圖，我們有細胞電圖。每類細胞的共旋共振頻率不一樣。做了四類癌細胞，通過頻譜不一樣，很好地把四類細胞分離出來。每種細胞共振時旋轉的頻率不一樣，我們用這種方法做一個癌症的早期檢測。

簡單總結一下，我們先抽血用血液動力學自旋進行癌症的早期檢測，然後再和 value 結合，和正常細胞分離，納米機器人測分子密度和分子力。最後有一個模型，預測出來病人到底吃完這種葯的療效有多大。

從第一步到第六步，只有第一步和第六步需要醫生做，二、三、四、五用工程的方法來做，這是對癌症進行早期檢測還有一直到最後個性醫療的完整途徑，每個方向上我們都投入了一些研究生，現在正在做這方面的工作。這是針對個性化治療，怎麼樣實現更加有效的治療。

現在篩選的葯都是以細胞進行篩選，人體的細胞是三維組織塊，三維環境互相連通、相互促發，現在篩選新葯就是一堆細胞零散在試管裡面，構成不了三維連通，導致所有的藥物藥效預測不一樣，這是第一。

第二，往往只用一類細胞來看，治心臟病就看心肌細胞，這是不對的，除了看心肌細胞，肝、肺這些細胞共生長共培養，看看對心肌細胞好的同時有沒有傷害別的細胞，這是一個基本思想。

機器人化的微納操控系統，第一步可以把細胞跟水泥膠混合到一塊兒變成三維組織塊，光打成什麼形狀，細胞最後長成什麼形狀。細胞之間三維連通，更加接近於人體形狀。我不只生長一類細胞，要生長好幾種細胞，每種顏色代表不同的細胞，剛才有一個光電的操控方法，還能對它進行實時操控。基本原理就是水泥膠來了，先把細胞用同一束光的方法做成細胞塊，進入光電鎳的系統裡面組裝，不同種的細胞模擬人體環境組裝到一塊兒。

大家玩過俄羅斯方塊，每一種代表不同種的細胞，可以把這些細胞自由地組裝到一起，它的好處是有心肌的、有肝的、有肺的，這樣的話再加一種藥物的同時就看這幾類細胞共同的反應，到最後對藥物的預測不只是一種細胞的反應，而是整體的反應。如果對心肌細胞非常好，但是把別的細胞全都殺死了，這種藥物的毒性太強，我也不建議它再進入下一期的臨床實驗。

幾類細胞一種顏色代表一種細胞，現在已經能夠做到三類，三種細胞放到一起，三種細胞還都可以存活，進入到下一期臨床的測試。現在這套系統已經在上海藥物所得到了初步的應用，已經開始應用於化合物的初步篩選。

好多投資界都非常熟悉喬布斯，他說過「我們不能跑向冰球已經在的地方，要跑向冰球即將滑向的地方」，我離產業有一些遠，我們做的微納看著有很多基礎研究在裡面，真正的基礎研究如果不能帶來突破，它就是基礎研究，但如果有一天它能帶來突破的話，它一定是 Big Breakthrough（大的突破）。

*來自雷鋒網報道

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！