肿瘤所在区域由于细胞的异常快速增殖,会需要大量的葡萄糖、营养来支持,因而,切断肿瘤处的“营养供给线”是科学家们研究的一个方向。如果能够有效地识别肿瘤所在区域,并封闭通往肿瘤细胞的血液供应,将使得肿瘤细胞走向凋零和死亡的道路。

 

来自中国科学院国家纳米科学技术中心(NCNST)的科学家们与美国亚利桑那州立大学(ASU)的研究人员共同合作,在纳米医学领域取得了重大进展。他们成功地通过纳米机器人切断血液供应,有望使肿瘤得到缓解。研究发表在杂志《Nature Biotechnology》上。这是一个完全自主的DNA机器人系统,可以用于非常精确的药物设计和靶向癌症治疗。

 

来自中国科学院国家纳米科学技术中心的两位科学家,

分别是Prof.Baoquan Ding(左)与Prof.Yuliang Zhao(右)。

图片来源:NCNST

 

纳米医学是一种新型的医学分支,它致力于将有前景的纳米技术结合起来,为治疗提供全新的途径,比如制造极小的分子大小的纳米颗粒来诊断和治疗难以攻克的疾病,尤其是癌症。到目前为止,推进纳米医学的挑战一直是很困难的,因为科学家们想要设计、制造和控制纳米机器人,以积极地寻找和摧毁癌症肿瘤,并希望不伤害任何健康细胞。这是非常具有挑战性的。

 

在本研究中构建纳米机器人所使用的构单元来自于DNA分子,这些分子可以自我折叠成各种形状和大小,尺寸大约处于比人类头发小1000倍的水平,这些DNA分子有望在未来的某一天为计算、电子和医学带来变革。

 

这一天来得也许比我们预期快一些。

 

研究开始于5年前。此前有许多科学家希望通过红外加热、磁性纳米粒子等途径作为纳米医学研究的方向。几位NCNST的科学家们首先想到了切断肿瘤周围的血液供应,他们也选择了DNA作为纳米载体,这对于有机体来说,有效并且安全。


研究人员将DNA设计成高度程序化的机器系统,可以搭载预设的分子,包括能够识别肿瘤表达蛋白的配体,同时将凝血酶吸附在表面上,从而使得这种机器人能够识别肿瘤细胞,并引发周围的血管出现堵塞情况,就像心脏病发作时会有的“血栓”。

 

为了验证设计的有效性,研究人员建立了人源癌症的小鼠模型,一旦肿瘤生长,纳米机器人就会被派去支援。

 

每一个纳米机器人都是由一个扁平的,矩形的DNA折纸材料制成,尺寸为90纳米× 60纳米。凝血酶(thrombin),附着在表面上。凝血酶可以通过凝结血管内的血液来阻断肿瘤区域的血液流动,从而引发肿瘤的“心脏病发作”,导致肿瘤组织死亡。

视频来源:EurekAlert 版权所有:JASON DREES,ARIZONA STATE UNIVERSITY


首先,研究人员将平均4个凝血酶分子连接到平坦的DNA支架上。接下来,将平板支架像纸一样折叠成圆形以制成中空管,将凝血酶(紫色)包裹在内部。


同时,在DNA支架上搭载了一种特殊的分子,叫做DNA 适配体(绿色)。DNA的适配体可以专门针对一种叫做核仁素的蛋白质,这种蛋白质只在肿瘤内皮细胞表面的高含量表达,而在健康细胞表面上却没有发现。

 

然后,将纳米机器人通过静脉注射置于小鼠的血液系统中,在全身游走,以寻找肿瘤。

 

纳米机器人的工作很高效,在注射后几个小时,就大量聚集在肿瘤周围,迅速包围了肿瘤。当到达肿瘤附近的血管后,DNA适配体有效识别内皮细胞上的核仁素,DNA折纸会恢复平板状态,触发了内部的凝血酶暴露,引发了肿瘤组织区域的血液凝集。

 

这种治疗方案有效地阻断肿瘤血液供应,在24小时内产生肿瘤组织损伤,且对健康组织无影响。在攻击肿瘤后,大多数纳米机器人在24小时后被清除并从体内降解。2天内,有明显的血栓形成证据,3天内,所有肿瘤血管均有血栓形成。通过实验,研究人员证明,这种方法对于缩小小鼠体内的肿瘤是安全且有效的。

 

此外,在黑素瘤小鼠模型中,接受纳米机器人治疗的8只小鼠中有3只显示肿瘤完全消退。中位生存时间增加了一倍多,从20.5天延长到45天。在肺癌模型中,经过2周的治疗后,肿瘤组织出现收缩。

 

研究人员表示在试验中还观察到了,这款纳米机器人不但可以对原发性肿瘤造成损伤,还能有效阻止肿瘤的血管化转移。我们期待这款DNA纳米机器人能够在不远的将来成为实际的医疗技术,可以搭载更多的药物和治疗策略,造福广大癌症患者。

 

参考资料:

[1]Cancer-fighting nanorobots programmed to seek and destroytumors

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