突破，中國學者研發出DNA納米機器人能在體內精準抑癌

目前臨床上治療惡性腫瘤的有效方法仍然是化療加放療，儘管取得了很大的成就，但是在治療疾病的同時也帶來了巨大的副作用。而藉助納米機器人將藥物精準輸送至腫瘤細胞，從而定向殺死癌細胞但是又避免危及周圍健康組織才是許多科學家夢寐以求的理想。

過去幾年，國外學者在這個領域做出了一些列可圈可點的成果。其中比較有代表性的成果是，2016年來自加拿大蒙特利爾工學院領導研製出一款納米機器人，能夠在人體血管內運行並可以將抗癌藥物精準的遞送到腫瘤細胞中【1】。這款納米機器人實際上可以看做一群細菌，每個細菌都有鞭毛並且可以攜帶藥物自我推進。由於這些特殊的細菌攜帶了「氧氣濃度測量感應器」，所以能夠通過感應低氧環境進入腫瘤內部（對實體腫瘤來說，腫瘤細胞的快速增殖消耗大量氧氣後從而出現缺氧區）【1】。該成果當時還引起了國內外眾多媒體的關注。

事實上，在國內特別是國家納米科學中心也有一批從事納米機器人研究的前沿交叉科研人員，近幾年也做出了一系列重要成果。

2月12日，由國家納米科學中心趙宇亮、丁寶全、聶廣軍聯合美國亞利桑那州立大學Hao Yan在Nature Biotechnology上發表了一篇題為「A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo」的研究論文，報道了一種用DNA製成的納米機器人可以用於攜帶凝血酶精準定位到腫瘤細胞，可有效殺死腫瘤細胞，並且在多種小鼠腫瘤模型中取得了較好結果的同時也沒有引起明顯的免疫反應。

研究人員之所以採用DNA作為原料構建納米機器人主要是基於DNA本身生物相容性（biocompatible）與生物可降解性（ biodegradable）。

在這款DNA納米機器人中，研究人員首先利用M13噬菌體基因組DNA製作了90 nm × 60 nm × 2 nm的矩形DNA摺紙層（rectangular DNA origami sheet），然後將其連接好凝血酶（thrombin）形成管狀納米機器人（下圖）。

DNA納米機器人作用模式圖

研究人員還設計了一種DNA緊固件（Fastener），當其結合核仁素Nucleolin（一種腫瘤血管細胞表面特異性蛋白【2】）後能解開管狀的納米機器人（上圖），從而將藥物暴露用於殺死腫瘤。

DNA管打開後，暴露出凝血酶，而凝血酶可以凝結供應到腫瘤細胞的血液，從而有效的切斷營養物質輸送到腫瘤並最終將其殺死。

為了驗證這套納米機器人系統在活體的作用效果，研究人員在小鼠乳腺癌、黑色素瘤以及人卵巢癌模型中進行了檢測。研究發現，相比與對照組，納米機器人能在腫瘤血管內引起大量血塊，但是不會引發其它正常部位的異常，最終縮小了腫瘤大小並使得小鼠有更高的存活率。

由於納米機器人這種外來物進入體內有可能帶來一些免疫反應之類的副作用，那麼非常有必要檢測相關免疫性。但是研究人員研究之後發現，納米機器人並沒有在小鼠體內造成明顯的免疫反應，在豬體內也沒有在主要器官中檢測到凝血現象。這充分表明了該系統具有一定的安全性。

圖片來源於：https://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/51717/title/DNA-Robots-Target-Cancer/

總的來說，該研究是納米機器人應用於腫瘤治療中的一項重要突破性成果，未來在臨床應用方面具有很大的應用前景。此外，該系統未來或許也可以拓展應用於其它人類疾病治療。

這是交叉學科的一次重大勝利！

通訊作者簡介：

趙宇亮，1985年畢業於四川大學化學系，獲學士學位。1985年7月進入中國核動力研究院從事核燃料化學的研究。1989年赴日本原子力研究所進修，1993年考入東京都立大學研究生院，獲碩士、博士學位。先後在日本原子力研究所先端科學研究中心，日本理化學研究所（RIKEN）從事研究工作。2000年入選中國科學院"引進國外傑出人才（百人計劃）"，2001年7月起任中科院高能物理所研究員、博士生導師，傑青，973首席科學家，北京大學兼職教授，納米生物效應與安全性中國科學院重點實驗室中國科學院高能物理研究所多學科研究中心副主任。2007年4月兼任國家納米科學中心主任助理。 2011年5月擔任國家納米科學中心副主任，研究員，博士生導師。2001年以來，主要從事納米材料的生物效應分析和放射化學的研究。在國內率先提出納米材料生物(健康)效應這個研究方向和學術思想，創建了中國科學院納米生物效應與安全性重點實驗室，開展了系統的研究工作。提出反嚮應用納米材料毒理學性質的新思路，發現了腫瘤低毒化療的納米材料體系，提出並設計了腫瘤低毒性治療研究計劃，並在開展系統的研究。

丁寶全， 2000年畢業於吉林大學化學系獲學士學位。2006年9月在美國紐約大學化學系獲博士學位，導師Nadrian C. Seeman 教授。其後在美國勞倫斯伯克利國家試驗室進行博士後研究，合作者為 Jeffrey Bokor 教授。2009年10月到2010年10月在亞利桑那州立大學作研究助理教授，合作者Hao Yan教授。2010年11月進入國家納米科學中心，被聘為「百人計劃」研究員，博士生導師。研究工作包括：1）生物納米材料 主要是核酸納米結構，DNA摺紙術的合理設計與製備，及其與多種其他納米材料的複合結構的性能研究。2）自組裝的生物納米材料與電子束光刻等方法向結合製備的納米器件的研究及其在納米光子學，等離子體光子學，分子電子學方面的可能應用。

聶廣軍，國家納米科學中心研究員，博士生導師，課題組長；獲中國科學院「百人計劃」海外傑出人才擇優支持；科技部973（納米重大研究計劃）首席科學家。2002年於中國科學院生物物理所獲博士學位，之後在加拿大McGill大學從事博士後研究。2008年加入國家納米科學中心。回國以來在Adv Mater, Angew Chem Int Ed, Biomaterials, Blood, Brit J Haematol, J Am Chem Soc, J Biol Chem和Small等國際學術期刊上發表學術論文50餘篇。研究領域：結合分子生物學、醫學、化學和材料學等交叉學科的方法，以生理和病理的視角研究在納米尺度上新型材料與生物體的相互作用等納米生物醫學中的基本問題。

參考文獻：

1、Felfoul, O., Mohammadi, M., Taherkhani, S., De Lanauze, D., Xu, Y. Z., Loghin, D., ... & Gaboury, L. (2016). Magneto-aerotactic bacteria deliver drug-containing nanoliposomes to tumour hypoxic regions.Nature nanotechnology, 11(11), 941.

2、Huang, Y. et al. The angiogenic function of nucleolin is mediated by vascular endothelial growth factor and nonmuscle myosin.Blood107, 3564–3571 (2006).

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