DNA納米機器人：精準抑癌不再難

無論國籍、種族，幾乎所有人都“談癌色變”。儘管某些癌症已經不再是“不治之症”，但畢竟是少數。根據2018年2月國家癌症中心發布的最新一期全國癌症統計數據，我國平均每天超過1萬人被確診為癌症，每分鐘就有7個人被確診為癌症。其中，肺癌和乳腺癌分別位居男女性發病的首位。

攻克癌症長久以來都是科學家關注的重點之一。相比目前廣泛使用的放化療治療方法，他們希望能夠更加精準地對癌症進行治療——殺死癌細胞的同時，盡可能少地誤殺正常細胞。用納米機器人將藥物精準輸送至腫瘤細胞，定向殺死癌細胞，成為科學家夢寐以求的理想之一。

2018年初，Nature Biotechnology刊登了一篇題為A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo的研究論文，報導了一種用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，能有效殺死腫瘤細胞，並且在多種小鼠腫瘤模型中取得了較好結果，也沒有引起明顯的免疫反應。該研究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顏灝共同完成。

直達病灶的納米機器人

早在1959年，諾貝爾物理學獎得主理查德·費曼就提出了納米機器人的概念。此後，各國科學家進行了諸多關於納米機器人的研究。

2016年，加拿大蒙特利爾工學院長官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地遞送到腫瘤細胞中。資料顯示，這款納米機器人實際上可以看作一群細菌，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。

國家納米科學中心研究員丁寶全在採訪中告訴《中國科學報》記者，上述研究是一類具有磁—航行為的趨磁細菌（magnetotactic bacteria），能夠用來運輸載藥的納米脂質體進入腫瘤的低氧區域。文中使用的細菌MC-1菌株細胞內具有磁性氧化鐵納米晶鏈，兩種導航模式共同作用下將會沿著局域磁場的磁力線和低氧濃度運動。利用這樣的細菌，將富含載藥納米脂質體的細菌直接注射在瘤旁區域並進行磁力導航，超過55% 的MC-1細菌滲透進入荷瘤鼠的移植瘤低氧區域。

“而我們的納米機器人體系是完全利用自組裝方法構建的、完全人工設計的納米體系，可以靶向識別腫瘤血管，由血管表面特異的分子標誌物激活，從而暴露內部的藥物，局部發揮療效。”丁寶全說。

切斷血液供應，“餓死”腫瘤

通過誘導血液栓塞，切斷血液供應，進而“餓死”腫瘤的工作，最早由Philip E. Thorpe團隊提出，1997年《科學》曾經進行報導。

國家納米科學中心研究員聶廣軍介紹說：“不過，他們利用的是一種可以特異性誘導腫瘤血管栓塞的融合蛋白，在安全性以及靶向性方面都有待提高。”

首次報導之後，栓塞療法沉寂了很長時間，直到2009年，Blood上首次報導該方法被應用於臨床病人，8例病人中有5例取得了比較好的效果。

“但由於栓塞藥物是一種融合蛋白，靶向性並不理想，所以副作用較大。此後的相關報導都是對該方法靶向性和安全性方面的優化，但是一直沒有實質性的突破。借助納米機器人將凝血酶藥物精準輸送至腫瘤組織的概念，是由我們團隊首次提出。這標誌著該領域在技術上、治療思路上新的突破，使栓塞方法治療腫瘤這個領域重新在科研界活躍起來。”聶廣軍解釋說。

鑒於凝血酶已經是一種成熟的臨床應用的局部止血藥，以及DNA折紙結構構建技術的成熟，2012年，研究團隊開展攜帶凝血酶的DNA納米機器人研究。他們成功實現了納米機器的精準結構構建，包括DNA折紙結構設計、蛋白的DNA修飾偶聯與定量、響應性開啟DNA“鎖扣”結構的設計；不斷優化，實現腫瘤的精準靶向；在哺乳動物體內，實現納米機器人的一次開關，產生強烈的腫瘤治療效果。

從結構上看，該納米機器人可以說是為凝血酶的特性“量身定做”：針對高促凝活性，遞送體系首先需要包裹凝血酶，在運輸途中隔絕底物，並需要具有精準靶向能力將包裹的凝血酶遞送至腫瘤血管；然後是利用腫瘤血管特異信號來實現響應性的“開啟”納米機器，暴露活化凝血酶；最後的，也是重要的，使得凝血酶定點誘導腫瘤血管凝血壞死而治療腫瘤。

最終完成的DNA納米機器人外表呈現管狀，將凝血酶分子包裹在管內，且管徑小於血液中凝血酶作用的底物，從而保證運輸途中的安全性。其兩端延伸出核酸適配體AS1411與核仁素蛋白結合，用於實現腫瘤血管內皮的靶向定位。DNA納米管由“鎖扣”DNA鏈卷曲而成，而鎖扣DNA鏈與核仁素蛋白特異性結合，實現其在腫瘤血管內皮響應性開啟，暴露凝血酶，在腫瘤局部產生凝血反應，最終實現腫瘤凝血壞死而治療腫瘤。採用AS1411適配體作為分子開關，該成分已經作為治療腫瘤的一種靶向藥物應用於二期臨床，這一點使得納米機器人距離臨床應用更近了一步。

積極推動轉化，力爭早日用於臨床

為了驗證DNA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，但是不會引發其他正常部位的異常，最終縮小了腫瘤體積並使小鼠有更高的存活率。

據介紹，在活體內，該DNA納米機器人實現了治療效應的放大。因為每一個腫瘤血管供應著成千上萬的腫瘤細胞生長，堵塞一支血管，便會殺傷血管周邊無數的癌細胞，這是其他治療藥物無法達到的效果。

該系統理論上對任何已經血管化的腫瘤或者轉移灶都會有治療作用。血栓一旦形成，堵塞血管，凝結的血塊就會滯留在血管內，造成腫瘤壞死，然後一起被機體清除。

作為外來物，納米機器人有可能引發一些免疫反應。對相關免疫性進行檢測後發現，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。

研究團隊表示，如果對於自身就具有血栓疾病的病人，有可能會造成體內其他髒器形成血栓的風險，他們後續還將開展更為仔細的研究。

據介紹，在過去的半年裡，研究團隊針對納米機器人批量生產困難的問題，進行了相應的技術摸索。目前已經能夠數十倍地提升產量和產率，使規模化生產成為可能。

同時，他們也在小鼠模型水準進行了長期安全性評價，觀察時間延長至用藥後兩個月到半年，評價是否有長期累積的毒性。此外，團隊也在利用其他動物模型，進行了不同有效劑量對比實驗，以期尋找最佳的治療視窗。

憑借在精準性藥物遞送和時太空藥物的可控釋放等方面的突出優勢，DNA納米機器人引起了業界的廣泛關注，具備很強的臨床應用前景。研究團隊正在努力推進其進入臨床試驗，期待不久的將來能為腫瘤病患服務。（張晶晶）

相關論文資訊：

DOI：https://doi.org/10.1038/nbt.4071

《中國科學報》 (2018-10-26 第8版 健康)