癌癥治療納米機器人的研究現狀與發展

邵尤佳

摘 ? 要：隨著科技的進步以及納米時代的到來，對于納米機器人的設想、構造和研發已經成為前沿熱點。伴隨著現代醫學的進步，醫療納米機器人逐漸應用于醫學診斷、探測和體內治療等領域，為病人提供全新精準的治療方案。本文通過對國內外對于癌癥治療的納米機器人的分析，綜述了癌癥治療納米機器人的發展現狀，討論了需要解決的問題和難點，總結了該領域下一步發展的方向。

關鍵詞：癌癥 ?納米機器人 ?DNA納米機器人

中圖分類號：TP242 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0044-03

納米機器人主要體現在微型上，是一種在納米或分子級別下可以被控制的機器，屬于分子仿生學范疇，由于本身的微型特點，可以在完成特定工作時發揮優勢[1]。納米機器人可以分為兩類，一類是納米級別體積的機器人，一類是用于執行納米操作的機器。納米機器人也有屬于自己的各個組成部分，其中包括超大規模集成電路（VLSI）及納米電子電路、化學傳感器、溫度傳感器、驅動器、供能裝置、數據傳輸等[2]，這些部分組成納米機器人，工作于人體內的復雜環境。1959年，諾貝爾獎得主理查德·費曼第一次提出了納米技術的設想，他在一次演講中提出：人類將有能力創造出一種微型機器，這款機器只有分子程度的大小，存在于極小空間中，可以作為構造基層的微型部件[3]。

癌癥正摧殘人們的健康，每年因癌癥死亡的人群比例日益增高，現已成為世界第二大致死病因。當前癌癥的治療是通過切除惡性腫瘤，并加以化療和放療等方式，但這大大損耗了人體內的正常細胞，帶來身體的傷害[4]。通過對以下各類癌癥治療納米機器人的分析，引申并思考解決途徑來進一步深入研究，促進癌癥治療納米機器人進入真實臨床。

1 ?癌癥治療納米機器人研究現狀

20世紀80年代微電子技術的蓬勃發展和90年代納米技術的興起，推動了納米機器人發展，世界各地的科研人員一直致力于研制癌癥治療納米機器人，促使實現于臨床帶來醫學革命[5]。隨著科學技術的發展，理查德·費曼的想法正在被逐漸實現，目前為止，已有不少科研小組在癌癥治療納米機器人的研究上獲得進展，以下分析部分研究現狀及成果。

1.1 納米蜘蛛機器人

2010年5月，美國哥倫比亞大學Lund K等人成功研制出一種由DNA分子構成的納米蜘蛛機器人，這種機器人能夠跟隨DNA的運動軌跡無障礙的行走和自行停止[6]。納米蜘蛛機器人只有4納米長，輔以生物催化劑作為助動器，推進納米蜘蛛機器人行走較多步數直至100納米。這款納米機器人外觀與蜘蛛相似，設計多條腿協作共同工作，確保行走時不會游離在體液中。用時，寡核苷酸作為機器人的配體，為實驗室設計行走路線提供指引和方向。這款納米蜘蛛機器人需要編程控制，當提取到各個納米蜘蛛機器人之前的相互聯系和作用后，一旦進行程序輸入，納米蜘蛛機器人就能按照程序指定的軌跡行走并進行特定工作。這表明，分析完畢相互作用和程序傳輸后，他們就可以自動完成任務，之后便不需要人為介入。這種自由性需要加以約束，該實驗室也在進行改進，使納米蜘蛛機器人在體內能更好的規劃行走，具有特定方向性。這款納米蜘蛛機器人在進入人體后，根據編程能夠自動且不間斷的在人體內巡邏，尋找癌細胞的藏身之處，殺死惡性腫瘤，從而為癌癥患者提供強有力的治療支持。

1.2 磁性納米粒子

和上述研究相比，在2015年的WSJD在線全球技術大會上，有一項研究同樣得以矚目，那就是納米磁性粒子，由谷歌X實驗室生命科學小組進行設計[7]。Andrew認為谷歌設計的這一款納米磁性粒子，也就是納米機器人，同樣可以在人體環境內工作。在外加磁場的作用下，通過納米磁性粒子的磁性導向性，使納米機器人準確作用于腫瘤病變部位，增強對病變組織的靶向性，降低對正常組織細胞的傷害。這款納米磁性粒子主要作用為：在血液中植入納米磁性粒子，該粒子與藥物結合制成載藥分子，精確找到癌細胞藏身之處并釋放藥物殺死癌細胞。該科學小組同時還在進一步構想，通過納米機器人來鏈接人腦和外界系統，以此來深度開發人腦智力，徹底改變生活。這些技術和設想依舊還停留在研發試驗階段，上述的項目還沒有真正進入臨床，但人們對于癌癥治療納米機器人的技術研究一直在進步并持續突破。

1.3 分揀功能DNA納米機器人

2017年，美國加州理工大學A. J. Thubagere等人在《科學》雜志上發文，介紹了一款具有分揀功能的DNA納米機器人[8]，這款納米機器人可以被派送到對于人類來說太細小而無法到達的地方，例如血液。這款DNA納米機器人設計有兩只可以行走的腳和用來承載貨物的雙臂。機器人在移動時，和人類行走一樣，首先一只腳著陸在體內分子表面，然后抬起另一只腳，實現位移，當途中遇到需要運載的貨物時，便分揀運送到指定地點。據實驗分析表明，這款納米機器人遞送貨物的成功率為80%，這意味著在應用于癌癥治療中，該DNA納米機器人在人體內運輸藥物，殺死癌細胞的成功率為80%。但若用于臨床中，仍有20%的不確定性，會對人體自身的健康細胞帶來未知傷害。在體內大分子的表面，有上百條DNA單鏈，這些單鏈與 DNA 納米機器人堿基互補，該DNA納米機器人會和這些DNA單鏈相結合。DNA 納米機器人有兩條結合鏈，當一條和DNA單鏈結合時，另一條結合鏈則是自由的。人體內的分子波動會使得自由的結合鏈抵到另一根DNA單鏈，進行下一次配對，相當于人類雙腳行走，實現空間移動。所以在此過程中，即使無能量供給，DNA納米機器人依然可以在分子表面行走。該DNA納米機器人的工作目的是運載藥物并將其放置在指定地，如果接收到來自系統控制的指令，機器人就會卸下藥物。如果收不到指令，機器人就會攜帶藥物在體內繼續移動。實驗室通過程序來控制DNA納米機器人，與宏觀機器人系統控制沒有什么區別。各個DNA納米機器人之間依靠算法互相交流，更好的尋找癌細胞的藏身之處，從而釋放藥物，完成任務。這款癌癥治療納米機器人的設計更加依賴于人體內分子的生物性質，以此適用于人體內復雜環境。

1.4 管狀 DNA納米折紙機器人

對于癌癥治療DNA納米機器人的研究一直在發展，在納米級別下的機器人設計也逐漸完善。2018年，Suping Li和Qiao Jiang等人設計出一種DNA納米折紙機器人，這是基于2006年Rothemund提出的DNA折紙技術[9]。DNA折紙技術是將一條DNA單鏈進行折疊，并輔助以數百條短纖維鏈來固定，可以變為任意的結構。這種DNA折紙技術，可以通過折疊改變DNA的結構，用來適應不同空間的工作環境。在折疊后的DNA中，放入治療癌癥的藥物或配體等，成為具有高度安全性的載藥粒子。凝血酶可以作用于腫瘤細胞血管內，在血管內形成血栓來切斷癌細胞的血液供應，致使癌細胞死亡[10]。一般來說，一根血管供應著多個癌細胞的營養運輸，如果將這一血管堵塞，癌細胞就會因此死亡，殺死癌細胞的效率大大增高。Suping Li等人依據DNA折紙技術，提出設計一種定制的管狀DNA納米機器人，這款機器人折疊成特定的結構，在管子中裝載凝血酶，并嚴格的與外界隔開，保證運輸過程中凝血酶不會被分解。并為該DNA納米機器人設計一個智能系統，使其具有生物特異性，因此可以準確尋找到癌細胞的藏身之處。DNA納米機器人通過癌細胞表面的特定受體進行定位，打開分子開關，在合適血管釋放凝血酶，堵塞血管從而為癌癥治療提供幫助。經過科研人員的大量實驗，并沒有發現在動物體內引起免疫反應，具有足夠的安全性。Hari R. Singh等人認為[11]：通過DNA納米折紙技術，折疊DNA單鏈變成合適的形狀，并通過某些化學方法來改變DNA的分子特性，可以使管狀DNA納米機器人與受體精準結合，靶向治療。但他也同時認為，若腫瘤細胞內血管供養并不發達，該DNA納米機器人工作效果并不明顯。

1.5 正電子放射斷層造影納米機器人

Maheswari.R和Sheeba Rani.S等人提出了另外一種用來探測癌癥的納米機器人，這款機器人利用正電子的放射斷層造影技術來探測體內癌細胞的生長狀況[12]。同時設計嵌入式系統，通過在Arduino軟件平臺編程來控制納米機器人。在Maheswari.R等人的設計中，為了避免人體環境副作用的產生，選擇碳納米同位素作為機器人的材料。當該納米機器人被注射進入人體內之后，由于材料的穩定性和安全性，并不會對人體帶來傷害，并在工作完畢后會隨排泄物排出體內。這款納米機器人的構成和宏觀機器人類似，也具有傳感器，供能裝置和攝像頭等，同時利用高級算法得出最短路徑，并通過傳感器避開障礙物尋優。

2 ?癌癥治療納米機器人存在的問題

癌癥治療納米機器人在幾十年時間內，從零起步，經過一系列的發展，對其研究取得了突破性的成果，這將大大改變人們的認知，造福人類生活。癌癥治療納米機器人從根本上殺死癌細胞，而不損害身體內的正常細胞，被認為是最精準的靶向治療方式，能夠大大滿足人們的醫療需求，帶來醫學革命[13]。但由于目前技術的局限性，癌癥治療納米機器人的研究依然存在著一些缺憾和問題。

對于上述發展現狀總結來說，當分析納米蜘蛛機器人之間的相互作用和聯系時，需要通過程序與算法來進行計算。這將會出現時間延遲現象，在這段延遲中，會存在不可預測的風險問題。同時，對于納米磁性粒子等通過外加磁場進行控制的類似研究，也存在如下問題：由于磁場具有方向性，在狹小空間內的磁場變得十分復雜，難以精細控制，這將會導致對癌細胞定位不準，帶來人體的傷害。不僅如此，磁場受外界環境的干擾性也是需要重視的因素。分揀功能DNA納米機器人在沒有能量供應的情況下可以攜帶藥物行走，尋找癌細胞并釋放藥物。然而在沒有能量供應的情況下，機器人僅靠分子波動，在體內行走速度緩慢。為了提高速度，可以嘗試尋找一種合適的酶來進行催化，或增加馬達來解決問題。根據上述對于管狀DNA納米機器人的現狀分析，該機器人具有良好的安全性和免疫惰性，被認為是目前為止最完善和最有潛力進入臨床的研究。但對于血管不起主導供養效果的惡性腫瘤細胞來說，放置凝血酶的管狀DNA納米機器人是在做無用功。Maheswari.R等人的正電子放射斷層造影納米機器人實驗仿真是宏觀的，但當機器人處于納米級別時，僅通過實驗的宏觀仿真無法預測納米結構組成的各種風險，以及納米機器人聚集在一起時對人體帶來的危害。處于低雷諾數的體液環境極其復雜，有許多柔軟內壁，進入人體內工作的納米機器人具有風險性，在生物環境中受到障礙干擾會影響精準度、帶來延遲。

以上存在的問題僅僅是癌癥治療納米機器人的部分體現，由于當前科學技術的不足、學科交叉的復雜性和材料構成的不穩定性等都不同程度限制了癌癥治療納米機器人的發展[14]。但不可否認的是，在科研人員的不懈努力下，癌癥治療納米機器人在各個方面都實現了長足進步。

3 ?癌癥治療納米機器人發展與展望

當今醫療體系和技術變革成為了社會所關注的焦點，隨著經濟的不斷增長，人們對醫療健康的關注度越來越高，迫切期待著精準高效的醫療手段。由于癌癥疾病的難以預防和死亡比例的日益增高，癌癥治療的新型醫療手段更是成為重點發展方向。醫療資源的匱乏和人口老齡化等問題，也使得癌癥治療納米機器人的發展受到社會各方面的重視，深度研發癌癥治療納米機器人成為科學技術發展的主流[15]。目前，癌癥治療納米機器人的研究仍處于研發初級階段，還未能在臨床實現。在未來，隨著計算機科學、材料學、機器人學和醫學等學科的發展和學科交叉的融合進步，癌癥治療納米機器人必然擁有廣闊的前景和發展空間。各國國家政府也會繼續大力支持癌癥治療納米機器人的研發，推進該新型產業發展。科研人員持之以恒、不斷創新，勢必會在關鍵技術方面取得突破，早日解決難題，真正提高癌癥治療納米機器人的安全穩定性，應用于臨床醫學。

對此，為促進癌癥治療納米機器人的操作功能和發展，可以從以下幾點尋求突破[16]：一是優化癌癥治療納米機器人的結構設計，增加靈活性使其能夠更加適應人體內環境;二是尋求更具安全特性的納米材料，去除納米材料的潛在毒性，或用生物降解材料;三是對機器人的控制系統進行更深入的開發，能夠精確實時控制癌癥治療納米機器人的探測，減少延遲，提高信號處理速度;四是對癌癥治療納米機器人的供能裝置進行優化，提高效率同時要降低在人體內的不適感，提高能量運輸的穩定性等。相信通過各方面技術的發展與完善，堅持不懈的攻克困難，癌癥治療納米機器人最終可以廣泛的應用于臨床，為攻克癌癥疾病提供強有力幫助。

參考文獻

[1] 李營營.納米機器人[J].互聯網周刊，2009（3）： 87.

[2] 張楚熙.納米機器人的現狀與發展[J].電子技術與軟件工程，2018（13）： 74-75.

[3] 梁順可.納米機器人發展綜述[J].科技展望，2015， 25（7）： 220，222.

[4] 姚曉丹.納米顆粒可定向治療癌癥[N].中國社會科學報， 2016-05-03（005）.

[5] 黃曉秋.納米機器人前景廣闊[J].科技中國，2018（9）：18-19.

[6] Lund K， Manzo A J， Dabby N， et al. Molecular robots guided by prescriptive landscapes[J].Nature， 2010， 465（7295）： 206.

[7] ZHOU C， XU W. Development and trend of nanorobots and its applications on bio-medical[J]. Machinery， 2011（4）： 2.

[8] Thubagere A J， Li W， Johnson R F， et al. A cargo-sorting DNA robot[J]. Science， 2017， 357（6356）： eaan6558.

[9] Li S， Jiang Q， Liu S， et al. A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo[J]. Nature biotechnology， 2018， 36（3）： 258.

[10]Li S， Jiang Q， Ding B， et al. Anticancer Activities of Tumor-killing Nanorobots[J]. Trends in biotechnology， 2019， 37（6）： 573-577.

[11]Singh H R， Kopperger E， Simmel F C. A DNA nanorobot uprises against cancer[J]. Trends in molecular medicine， 2018， 24（7）： 591-593.

[12]Maheswari R， Gomathy V， Sharmila P. Cancer Detecting Nanobot using Positron Emission Tomography[J]. Procedia Computer Science， 2018（133）：315-322.

[13]塔金星.納米科技——癌癥治療新攻略[J].物理與工程， 2006，16（5）： 32-33， 60.

[14]平朝霞.納米機器人的研究進展[J].新材料產業， 2012（12）：25-28.

[15]周陳霞，徐萬和.納米機器人的發展和趨勢及其生物醫學應用[J].機械，2011，38（4）：1-5.

[16]王玉山，孫雪.淺談納米機器人的特點分析和應用現狀以及發展前景[J].制造業自動化，2016，38（5）：147-149.