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人机融合即将成真！纳米机器人杀死癌细胞，肿瘤生长抑制70%｜Nature子刊

Dots机构投资者社区 · 公众号 · · 2024-09-11 08:15

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本文转自微信公众号“新智元”，作者：新智元。

编辑：耳朵庸庸

【导读】瑞典卡罗林斯卡学院的研究团队开发一种DNA纳米机器人设备，开创靶向癌症治疗新方向。该机器人隐藏的「武器」仅在肿瘤微环境中激活，经过小鼠实验，肿瘤生长有效减少了70%。

1966年，科幻电影《神奇旅程》第一次利用微缩科技拍摄模拟的人体内部。

影片中，一名苏联科学家逃到美国，因为他的脑血管遭到间谍破坏而危在旦夕。

5名美国医生医生缩小为几百万分之一的「蚁人」，乘坐微缩潜水艇进入人体内进行血管手术。

58年后，科幻电影照进现实，癌症治疗迎来新方向。

死亡受体（DRs）在细胞膜上聚集会导致细胞凋亡，这是肿瘤治疗的一个重要潜在途径。

研究难点是，DRs大量存在于健康组织中，这使开发仅针对于癌细胞群体变得十分困难。

瑞典卡罗林斯卡学院（karolinska institutet，简称KI）的研究人员开发一种刺激响应的DNA纳米设备，可以用于靶向癌症治疗。

这种纳米机器人能精准杀死小鼠癌细胞，机器人的「武器」隐藏在纳米结构中，只有在肿瘤微环境中才会发起攻击，诱导癌细胞凋亡，在正常生理环境下会保持惰性。

这项研究发表在《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）期刊上，展示了纳米技术在癌症治疗的潜力，并为未来应用于人类癌症治疗带来了希望。

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41565-024-01676-4

有趣的是，这一研究是在著名未来学家雷·库兹韦尔最近的大胆预测之后发布的——纳米机器人技术的进步将很快将人类寿命延长至1000年。

库兹韦尔在6月25日发布的最新著作《奇点更近》中预测，到2030年代，医疗纳米机器人（能够在分子水平上操作的微型机器人）将使人类超越生物器官的限制。

库兹韦尔的预测虽然雄心勃勃，但随着KI团队开发出纳米机器人，它能够以前所未有的精度寻找并消灭癌细胞，同时不会伤害周围的健康细胞，这一预测越来越有可能成为现实。

核心突破：创造出「致命开关」

KI的研究小组此前已经开发出了一种结构——能够在细胞表面组织所谓的「死亡受体」，从而导致细胞死亡，这些结构呈现为以六边形模式组装的六种肽（氨基酸链）。

而纳米机器人的头部有一个空腔，其中恰好隐藏着六种以六边形图案排列的细胞毒性配体。这些肽就能够很好地与癌细胞上的死亡受体结合并激活它们。

领导这项研究的医学生物化学和生物物理学系Björn Högberg教授解释说，「这种六角形纳米肽图案成为一种致命武器」。

「如果把它作为药物来使用，它就会不分青红皂白地开始杀死人体细胞，这可不是什么好事。为了解决这个问题，我们把这种武器藏在了由DNA构建的纳米结构中。」

Högberg说，「我们成功地将这种武器隐藏起来，使其只能在实体肿瘤内部和周围的环境中暴露出来。这意味着我们创造了一种纳米机器人，可以专门瞄准并杀死癌细胞。」

DNA折纸

用DNA作为建筑材料建造纳米级结构的艺术就被称为DNA折纸，是Högberg的研究团队多年来一直在研究的课题。DNA折纸技术可以精确控制配体的空间排列，确保死亡受体的最佳聚集，这对于诱导有效的细胞死亡至关重要。

折纸开关的设计原理和模拟

这种针对和激活死亡受体的精确度使该技术有别于传统的癌症治疗方法，传统的治疗方法通常缺乏这种特异性并可能导致严重的副作用。

用DNA折纸制作纳米机器人可以确保设备具有生物相容性，这意味着它们可以在人体内导航而不会引起不良反应。

武器激活

那么，「致命开关」具体是如何被激活的呢？关键在于癌细胞周围通常存在的低pH值或酸性微环境。

在试管中进行的细胞分析表明，在正常生理条件下，包括pH值为7.4的酸性环境，肽武器（毒性配体）仍隐藏在纳米机器人内按兵不动，保持惰性和无害状态。

但当pH值降至6.5（癌组织中典型的 pH 值）时，「致命开关」被触发，DNA结构展开，露出细胞毒性配体。然后，配体将死亡受体聚集在癌细胞表面，引发细胞凋亡或程序性细胞死亡，产生剧烈的细胞杀伤效果。

对pH值敏感的致命开关

总体而言，这项研究的核心突破就是纳米机器人的三维DNA折纸设计——它既对pH敏感，又能自主运作。

体内实验：抑制肿瘤生长

研究团队在携带人类乳腺癌异种移植瘤的小鼠中进行了实验，测试纳米机器人的诊疗效果。

注射纳米设备后，结果与注射非活性纳米机器人的小鼠相比，肿瘤生长有效减少了70%。

活体内生物分布和抗肿瘤效果

实验结果表明，这种纳米设备的确在靶向癌症治疗中具有潜力。

DNA折纸纳米机器人在小鼠身上取得的成功，也为进一步的研究和人类临床试验铺平了道路。

DNA折纸纳米机器人可以彻底改变我们治疗癌症的方式，为目前的治疗方法提供更有针对性和更小侵入性的替代方法。

精确瞄准癌细胞同时保留健康组织，为癌症治疗开辟新的途径，有可能带来比化疗和放疗等现有方法更有效、危害更小的治疗方法。

此外，该技术的基本原理还可应用于其他靶向细胞死亡的疾病，如某些自身免疫性疾病和病毒感染。DNA折纸的多功能性和可编程性使其成为开发下一代医疗疗法的有力工具。

研究还评估了该设备在正常细胞中的安全性。

在正常生理条件下，该设备不会激活，因而对健康细胞没有毒性。

这表明该设备在进入肿瘤微环境前能够保持惰性，从而减少对正常组织的副作用。

尽管实验结果令人鼓舞，但研究人员警告称，这项技术在临床广泛应用之前仍面临一些挑战。

其中包括确保纳米机器人在人体内稳定性和保证正常使用寿命、如何扩大这些纳米结构的生产规模，以及彻底测试排除不可预见的副作用。

该研究的第一作者、KI医学生物化学与生物物理学系研究员Yang Wang表示，「我们现在还需要验证这种方法，是否能在更高级的癌症模型中发挥作用，因为这些模型更接近真实的人类疾病。」

研究人员还计划研究制造更具针对性的DNA折纸纳米机器人。

这种机器人可以针对特定类型的癌症，通过改变设备表面蛋白质或肽的排列来实现靶向治疗。

如果成功，这项技术将彻底改变肿瘤学领域，为人类抗癌之战提供一种高效新「武器」。

这项突破也标志着纳米技术将在未来持续蓬勃发展，这些技术可能将引领我们实现雷·库兹韦尔所设想的未来。

参考资料：

https://www.nature.com/articles/s41565-024-01676-4

https://phys.org/news/2024-06-nanorobot-cancer-cells-mice-hidden.html

本文转自微信公众号“新智元”，作者：新智元。

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DNA折纸

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