（原標(biāo)題：中科院最新納米機器人成功“餓死”小鼠腫瘤！聯(lián)合美國團隊共同打造一種完全自主的 DNA 納米機器人）

長按識別二維碼，報名2018十大突破性技術(shù)中國區(qū)線下解讀會

自 DNA 納米機器人誕生以來，科學(xué)家們一直對這種新技術(shù)充滿期待，特別是在治療癌癥上。想象一下，如果患者患有腫瘤，這種微小的DNA機器人能夠“潛入”患者體內(nèi)并完成定位，最后操作一個“小型手術(shù)”，將會有多少生命能被挽救回來。

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。而現(xiàn)在，我們離這個美好愿景邁進了一大步！

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

圖丨DNA納米機器人到達“連接”著腫瘤的血管

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)的研究團隊與美國亞利桑那州立大學(xué)（ASU）生物設(shè)計研究所分子設(shè)計和仿生學(xué)中心主任顏灝博士的實驗室合作，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，文章對這種納米機器人及其工作原理進行了詳細描述。

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，幾個小時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。

圖丨丁寶全研究員與中科院院士趙宇亮

圖丨顏灝博士

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，顏灝團隊將 DNA 折紙技術(shù)作為這個DNA 納米機器人系統(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行試驗，研究人員找出了 DNA 納米機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)納米機器人是安全的，并且在對正常小鼠和豬中進行的試驗中，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)計和靶向癌癥治療開發(fā)了首個完全自主的 DNA 機器人系統(tǒng)，”顏灝博士稱，“此外，由于所有實體瘤的供血血管基本相同，這項技術(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

該項目開始于5 年前，當(dāng)時 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)方面研究上造詣頗深，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器人系統(tǒng)。

“這些納米機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。

每個納米機器人都由一個扁平的矩形 DNA 折紙制成，其面積僅為 90 nm×60 nm，厚度僅為 2 nm。將四個凝血酶分子連接到這個“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)。

圖丨形成片狀結(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)計為核仁素（在腫瘤相關(guān)的內(nèi)皮細胞上特異性表達的蛋白質(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 納米機器人。

圖 |?搭載凝血酶的片狀DNA

首先，該團隊使用熒光信標(biāo)來確認，當(dāng)與核仁素結(jié)合時，納米機器人如預(yù)期那樣展開。然后，他們進行了一系列體外實驗，以表明負載凝血酶的納米機器人（nanorobot-Th）可引起血液凝結(jié)。

接下來，研究人員對小鼠模型內(nèi)的納米機器人進行了評估。熒光成像研究表明納米機器人聚集在實驗小鼠所攜帶的乳腺癌內(nèi)并與腫瘤血管內(nèi)皮結(jié)合。進一步分析表明，納米機器人可在給藥 24 小時內(nèi)，導(dǎo)致腫瘤血管閉塞；48 小時后出現(xiàn)進行性血栓，72 小時后，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行的其他研究證實，注射納米機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，其存活時間也為存活中時的兩倍。納米機器人療法還有效地阻止了肝臟中黑素瘤轉(zhuǎn)移進程，“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。

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)可以表明納米機器人會進入大腦。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，這表明這種納米機器人對大型動物的正常組織是絕對安全的。

“DNA 納米機器人傳遞凝血酶是 DNA 納米技術(shù)在癌癥治療應(yīng)用中的重大進步，”顏博士說，“在黑色素瘤小鼠模型中，納米機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)計的攜帶各種藥物的不同納米機器人組合可能有助于實現(xiàn)癌癥研究的最終目標(biāo)：根除實體瘤和血管化轉(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)，靶向組和負載貨物的幾何形狀來治療其他疾病。

“DNA 納米機器人系統(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)計從而介導(dǎo)多種生物活性有效負荷的遞送，諸如 siRNA 、化學(xué)治療劑或肽藥物”，研究團隊建議道。

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

本文來源：DeepTech深科技 責(zé)任編輯：侯維鋮_NT4124