每年，全世界有超過1800萬人患上癌症。僅在美國，將近一半的男性和超過三分之一的女性會患上某種癌症，每年有60多萬人死於癌症。自1971年理查德·尼克松宣布對這種疾病進行「戰爭」以來，美國已經投入了數十億美元和無數新的治療方法，但癌症仍然還未攻克。
為什麼癌症是如此強大的敵人？科學家很早就搞清楚了癌症的根本原因：即未修復的遺傳損傷會導致細胞不受控制地生長。但這種理解並沒有為癌症的根本性治癒指明道路。癌症生物學的研究表明，它是最複雜和最陰險的人類疾病之一。
首先，癌症可能由多種因素引起，從病毒感染到暴露於致癌化學品，以及簡單的遺傳運氣。一名肺癌患者可能是由完全不同的突變細胞引起的，而針對某種突變的藥物僅僅對一部分患者有益。癌細胞經常自發地發展新的突變，限制了基因靶向藥物的有效性。
其次，癌症是由身體自身細胞的功能障礙引起的，因此很難設計出既能針對癌細胞又可保留健康細胞的藥物。
第三，雖然基因突變可以驅動癌症形成，但癌症可以停止生長並保持多年休眠，這表明有更多的因素在起作用而不僅僅是基因突變。
最後，癌症有許多不同的「伎倆」，可以讓它躲避身體高度警惕的免疫系統，讓它不受檢測和不受控制，直到為時已晚。
19世紀和20世紀的癌症治療方案在很大程度上局限於手術，放射和化療的侵略性三重治療，所有這些都帶有創傷性副作用，並可以挽救生命的名義將患者帶到死亡的邊緣。
過去幾十年，隨著我們對該疾病的了解，治療癌症的對策也變得更加細緻。很重要的一點是認識到了用「蠻力」攻擊複雜疾病並不是最有效的方法。大量新的治療策略，比如免疫療法，納米技術和個性化醫療等手段給傳統治療失敗的患者帶來了希望，並提供了持久治療的潛力。
韋斯生物啟發工程研究所
美國韋斯生物啟發工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）是哈佛大學的一個跨學科研究機構，致力於開發用於醫療保健，製造，機器人，能源和可持續建築的新型生物材料和設備。
研究所的科學家們在分子細胞生物學，免疫學，材料科學，化學工程，機械生物學和DNA分析等領域擁有豐富的專業知識，他們處於新癌症治療方法的前沿。他們的研究結合了模仿自然的共同原則，有可能使現有治療更好，創造新治療，甚至可以防止癌症發生。
肺癌細胞（紅色）侵入人體肺組織（藍色）
更好藥物輸送方式
在過去的半個世紀裡，化學療法一直是癌症治療的支柱，它將藥物注入血液中以殺死全身快速分裂的癌細胞。然而，由於化學療法系統地針對所有快速生長的細胞，它還可以破壞腸道，骨髓，皮膚，頭髮和身體的其他部位，並且在某些情況下必須施加以高劑量。降低化療藥物毒性的努力包括：將它們封裝在納米顆粒中，僅在它們到達預定位置時釋放，但是，僅有不到1％的納米顆粒包封的藥物實際上到達目標位置，因為人的肝臟和脾臟會積極地將它們過濾掉。
韋斯生物啟發工程研究所的科學家Samir Mitragotri決定運用化學工程來解決這一問題。 他將目光放在了紅細胞和白細胞上，這兩種細胞每天數次在血液中循環，似乎逃脫了肝臟和脾臟的檢測和破壞。
他說：「如果這些細胞自然不能從血液中清除，也許我們可以使用它們來幫助納米粒子保留在那裡，而不是製造一些新的和昂貴的偽裝來保護納米粒子。」
Mitragotri的實驗室發現：附著在紅細胞上的納米粒子確實被小鼠的肝臟和脾臟所忽視，當血細胞通過向器官輸送血液的微小毛細血管特別緊密地擠壓時，納米粒子被剪切並沉積到組織中。通過將血細胞結合的納米顆粒注入直接在整個人肺上遊的血管中，研究人員能夠使其中41％的納米顆粒積聚在肺組織中，遠遠高於通常的1％。
他說：「通過這種方式，我們可以向其預期的器官提供更高劑量的藥物，並依靠身體的自然清除機制去除任何未到達目標的粒子。我們甚至可以得到一些納米粒子來瞄準大腦。」
儘管療效不佳，化療不太可能很快退出癌症治療舞台。新研究發現，與化療結合使用，新療法效果最好。
Mitragotri還成功將這種納米粒子「背包」策略應用於稱為單核細胞的白細胞上，這種細胞可分化為免疫細胞，稱為巨噬細胞，可抵抗包括癌症在內的疾病。
韋斯研究所的癌症疫苗通過將患者腫瘤中的抗原呈遞給樹突狀細胞來模擬身體的淋巴結
Mitragotri說：「腫瘤可以悄悄關閉巨噬細胞，使其他免疫細胞關閉，這樣腫瘤中就有一半可以由休眠的巨噬細胞組成。如果我們能夠通過納米顆粒背包向單核細胞傳遞化學信號，使它們在分化成巨噬細胞後保持在開啟狀態，那麼它們在攻擊腫瘤方面可能更有效，而不是成為腫瘤的一部分。」
為免疫細胞創造一個安全的空間
探索如何控制免疫細胞可能有助於殺死癌症，Mitragotri團隊正在涉足新興的免疫腫瘤學療法但，這導致改變患者的免疫系統（已經設計用於追捕和殺死功能失常的細胞），因此它可以克服癌症迴避策略，這種方法比試圖為各種已知的癌症設計新葯更好。
美國食品和藥物管理局（FDA）近年來批準了許多免疫治療方法，包括「檢查點抑製劑」藥物以及T細胞療法。
另外還有一種較新的戰術，癌症疫苗，它試圖從內部修改患者的免疫系統，以便它不僅攻擊現有的腫瘤，而且還創造免疫「記憶」，以摧毀未來的癌症增長。然而，這種途徑被證明很具有挑戰性。到目前為止，FDA批準的唯一癌症疫苗是2010年的Provenge。這種藥物價格高達93000美元，需要多次輸注，時因此在商業上是失敗的。
但是，Provenge的失敗讓韋斯生物啟發工程研究所的科學家David Mooney受到啟發。
他說： 「我的實驗室長期以來一直對癌症等疾病的細胞療法感興趣。我們認為，訓練身體自身免疫系統對抗癌症的概念真的很美，但我們想知道是否有辦法簡化整個進入體內的過程，而不是在實驗室中完成它。「
身體有淋巴結這一自然訓練場，其中含有被稱為樹突狀細胞的免疫細胞，當它們從淋巴管中檢測到入侵病原體的證據時，它們會被激活並引發免疫反應。然而，癌細胞分泌免疫抑製信號，可以破壞這一過程。作為一名材料科學家和化學工程師，Mooney意識到：如果他能夠構建和植入由與身體其他部分不同的材料製成的人造淋巴結（因此可以保護其免受癌症的影響），它可能會提供一個安全的避風港，激活樹突狀細胞，然後釋放免疫系統對癌症的攻擊。
他的實驗室製造了一種海綿狀圓盤形式的癌症疫苗，其大小與植入患者體內的阿司匹林片劑一樣，並且一旦完成其工作就會生物降解。疫苗本質上是一個人工淋巴結，含有吸引樹突狀細胞，並用患者腫瘤細胞上的蛋白質激活它們的信號。然後活化的樹突細胞移動到最近的淋巴結，在那裡它們訓練其他類型的免疫細胞以識別和破壞腫瘤。這可以提供防止癌症複發的額外好處，訓練的T細胞可以通過身體增殖和循環，尋找相同類型的腫瘤細胞來攻擊和破壞。
接種疫苗的癌症小鼠的戲劇性反應促使Mooney等人開始了一期臨床試驗，看它是否對人類患者有相同的效果。這種研究通常由醫院和製藥公司進行，但很少在學術界內進行。
在傳統的製藥和生物技術環境中，將此類創新納入臨床試驗的過程通常需要六到七年，在這種情況下，疫苗在其首次發布後僅三年就在其第一位患者中進行了測試。這一結果引起了藥物巨頭諾華公司的注意，該公司於2018年從韋斯生物啟發工程研究所獲得了該技術的許可，並將其用於未來的臨床試驗，並計劃將該概念技術用於治療多種癌症。
疫苗大小與阿司匹林片劑大小相當，並使用簡單的切口放入患者體內。
一位患者在接種晚期黑色素瘤疫苗近兩年後仍然沒有發現癌症細胞。但Mooney並不滿足於滿足自己的成就。 他說：「癌症是一種複雜的疾病，對所有人和各種癌症都不可能有單一的答案，所以我們需要不斷探索不同的方法。」
其中一種方法是DNA摺紙法。韋斯生物啟發工程研究所的William Shih解釋說，DNA摺紙法利用了DNA是一種非常穩定和可預測的化合物這一事實（這得益於其四種化學鹼基之間的強鍵），通過構建DNA鏈，其長度基本的序列是精確已知的，Shih和他的實驗室已經能夠設計三維DNA結構，有效地建立自己像自動化「樂高積木」，可以調整到納米級別。
對於癌症疫苗，Shih的實驗室設計了一種DNA「桶」結構，呈現密集，精確排列的配體或分子結合其他分子的分子，這些分子通常存在於細菌或病毒等病原體上，並被身體的免疫系統排斥。這些配體基本上產生樹突細胞識別的危險信號，並且可以使它們選擇比抗體反應更頻繁地啟動T細胞免疫應答。
旁敲側擊法
每一種癌症都來自曾經是正常細胞的疾病。 如果我們可以弄清楚究竟是什麼造成癌症的發生並找到一種方法來減少它的初步發生呢？ 這是一項艱巨的任務，因為已知數百種物質會導致癌症，還有數百種物質疑似致癌，以及生活方式和遺傳等其他因素都會破壞我們的DNA。
正常細胞和癌細胞之間的關係比最初想像的更複雜
但是一些原因在癌症的發展中起著巨大的作用，例如慢性炎症，這與所有人類癌症有25％相關度。韋斯生物啟發工程研究所的創始主任Donald Ingber正在研究治療圍繞和支持器官（統稱為基質）的結締組織和血管炎症的可能性，而不是直接攻擊腫瘤本身。
他說：「我們和其他人已經證明，基質的物理結構和組成的變化可以促進癌症形成。將癌細胞置於健康的基質環境中可以抑製腫瘤生長，這表明靶向腫瘤微環境可能導致新的癌症，這就是逆轉療法。「
Ingber團隊研發出了「器官晶元」技術，該技術允許研究人員在體外進行人體器官水準實驗。每個器官晶元含有中空微通道，模擬人上皮細胞和基質細胞內襯器官晶元可以重現血流量，肺呼吸運動，腸道蠕動等等。
器官晶元
目前，韋斯生物啟發工程研究所已經開發出了模仿肺，腎，腸，骨髓，大腦等的器官晶元，使研究人員能夠在體內發現的自然微環境中培養腫瘤細胞。
Ingber說：「我們的器官晶元一次又一次地告訴我們，為了使器官細胞正常運作，必須為它們提供合適的微環境，。對於這個項目，我們將使用從人類患者中分離的細胞構建不同癌症進展階段的模型，以了解基質細胞和器官襯裡細胞之間的相互作用，如何隨著炎症相關癌症的形成而發生變化，以及開發新方法來對抗這種疾病。。」
通過將器官晶元與生物信息學和機器學習方法相結合，該團隊希望找到新的基質靶向治療方法，可以將炎症組織恢復到健康狀態，從而預防癌症進展，或誘導癌症或癌前組織恢復到更正常狀態。通過體外研究人類癌症進展，該團隊還希望發現可用於識別可能發展為癌症的炎症相關癌前病症（如食管或潰瘍性結腸炎）。
Ingber說：「治療癌症最終需要採取多種方法，因為疾病本身是多方面的。我們研究所的成立基礎是通過不同學科的人們聚集在一起，通過各種不同觀點的專家之間的溝通和協作來解決醫學中的重大問題。在研究所內做到了這一點，導致了器官晶元的出現，為全球數百萬患癌症等疾病的患者帶來真正的改變。
無論是針對血細胞，免疫系統還是基質組織，所有這些項目都遵循使用現有生物元素作為新療法基礎的原則，而不是試圖從頭開始發明新的治療方法。
Ingber說：「人體是生物工程的奇蹟，經過數百萬年的調整，人體能夠抵禦威脅並自我治癒。當我們能夠認識到它固有的能力，並與它們合作而不是對抗時，我們正在充分利用我們的進化優勢。我們相信這種跨學科，生物啟發的方法可以幫助創造更多新的治療癌症和其他複雜疾病的方法，這些方法比傳統藥物策略更有效。「
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