馮云

2016年的諾貝爾化學(xué)獎授予法國的讓-皮埃爾·索瓦日、英國的弗雷澤·斯托達特爵士和荷蘭的伯納德·L.費林加，以表彰他們在“分子機器的設(shè)計與合成”方面的成就。

那么，分子機器是什么？有什么用呢？

從幻想到現(xiàn)實

分子機器又稱生物納米機器，其構(gòu)件主要是蛋白質(zhì)等生物小分子。盡管分子機器是化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)明和創(chuàng)造，但在醫(yī)療和其他領(lǐng)域會有大量的應(yīng)用。1965年的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者理查德·菲利普斯·費曼早在1959年就在美國物理學(xué)會年會上提出，可以制造原子機器和分子汽車，而且分子機器未來將在手術(shù)和藥物輸送方面起到至關(guān)重要的治病救人的作用。例如，一個微小的機器人可以放入人體血液中，使其抵達心臟，并且查看哪里出了問題，然后它會拿出小刀，把不好的地方，比如腫瘤部位切除。

這種設(shè)想在1966年美國影片《奇幻旅行》中以科幻的形式得到體現(xiàn)，一個潛水艇艦隊被微縮并注入到一個科學(xué)家的體內(nèi)，為他進行血管手術(shù)從而拯救了他的生命。這在當(dāng)時只是一種美好的想象。盡管今天的機器人在醫(yī)療中的應(yīng)用還未成為現(xiàn)實，甚至不可能成為臨床的常規(guī)治療手段，但是已經(jīng)有一些研究獲得某些突破。

分子機器進入人體無論是進行手術(shù)還是輸送藥物都需要克服一些困難，例如，要避免機體免疫系統(tǒng)把分子機器當(dāng)作入侵者加以攻擊;體內(nèi)的血流既可以是分子機器的動力（順血流時），也可以是阻力（逆血流時），因此要考

慮分子機器在逆血流時的動力;分子機器如何瞄準(zhǔn)目標(biāo)，如癌細胞;分子機器的動能如何取得;分子機器到達目標(biāo)時如何精準(zhǔn)給藥（藥量多少）以及如何精準(zhǔn)手術(shù)等，只有解決這些問題，才有可能讓分子機器治病救人。

針對這些問題，國內(nèi)外的納米機器研究已經(jīng)有諸多成果。早在2005年，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所就研發(fā)了一種納米藥物分子運輸車（分子機器），直徑只有200納米，是一根頭發(fā)直徑的1/300。這種分子機器能在器官和血管中自由通行，并且對人體無害。它的外形像一個布滿規(guī)則小孔的球體，藥物裝在小孔中，平時穿著一層有機外衣，中間含有四氧化三鐵顆粒構(gòu)成的磁性導(dǎo)航儀，在體外磁場驅(qū)動下，分子機器可準(zhǔn)確到達病灶。

這種分子機器幾乎達到人們預(yù)想的各種要求。分子機器裝載的藥物在沿途不會泄漏分毫，直到被引導(dǎo)到某一個特定疾病靶點才會釋放出來。遇到酸性或者高離子強度液體時，分子機器的有機外衣會被脫去，分子機器上裝載的藥物可被釋放出來。1克分子機器可以裝載約1000毫克藥物分子。

避免受到機體免疫系統(tǒng)攻擊

盡管這種分子機器有諸多優(yōu)點，但在今天的臨床上還是沒有得到應(yīng)用，這也許與多項要素有關(guān)。一是該分子機器是由體外磁場導(dǎo)航，是否可以精準(zhǔn)地被引導(dǎo)到身體最隱秘的目標(biāo)部位，如胰腺或骨髓內(nèi)還存在問題;二是在到達病灶后是以酸性或者高離子強度液體指導(dǎo)分子機器脫掉外衣而釋放藥物，這就限制了對某些疾病的針對性治療，因為很多病灶以生物標(biāo)記，如蛋白質(zhì)分子作為靶標(biāo)或促發(fā)藥物釋放的開關(guān)效果會更好;三是分子機器到達目標(biāo)后的藥量控制可能也不精確。

更重要的是，這樣的分子機器首先要克服一個困境——避免被機體的免疫系統(tǒng)當(dāng)成入侵者來清除。身體對外來物質(zhì)會一視同仁地加以排斥，納米級的分子機器也不例外。分子機器可以被機體的免疫系統(tǒng)視為細菌，或者直接由巨噬細胞發(fā)現(xiàn)并吞噬掉，或者通過其他方式破壞分子機器。此外，血液中的血清蛋白也會粘附在分子機器表面，以引起巨噬細胞注意，當(dāng)巨噬細胞確定粘住的是外來物時就會吞掉它，或者發(fā)出信號，召集其他巨噬細胞一起來包圍消滅分子機器。

為了讓分子機器避開機體免疫系統(tǒng)的攻擊，研究人員一開始是給分子機器涂上一層高分子的“外衣”，這些外衣像刷子從分子機器中伸出來，刷掉粘在它表面的各種血清蛋白，躲避免疫系統(tǒng)的巨噬細胞識別并攻擊它。但是，分子機器表面穿上的有機外衣只能短暫阻止各種血清蛋白粘附在它表面，因此并不能長時間或永久避免人體免疫系統(tǒng)的攻擊。

針對這個問題，美國最近的研究有了進展。美國賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院化學(xué)與生物分子工程教授丹尼斯·迪斯科的研究小組獨辟蹊徑，讓巨噬細胞相信納米分子機器是自己人而放過它們。

早在2008年，迪斯科團隊就發(fā)現(xiàn)人體細胞膜上有一種叫作CD47的蛋白能與巨噬細胞受體SIRPa結(jié)合，這就像戒備深嚴(yán)的軍事基地的門衛(wèi)檢查人們的通行證，CD47蛋白就是一種通行證，會告訴門衛(wèi)巨噬細胞，“我是自己人，別攻擊我，讓我通過”。后來其他研究人員破解了CD47和SIRPa的連接結(jié)構(gòu)。

在這些基礎(chǔ)之上，迪斯科等人發(fā)現(xiàn)了執(zhí)行類似CD47蛋白功能所需的最小氨基酸序列，并將這種小肽折疊起來充當(dāng)通行證。他們用化學(xué)方法合成這種小肽，將其粘附在分子機器上遞送抗癌藥物。然后迪斯科等人把分子機器注射到經(jīng)過基因工程改造的小鼠體內(nèi)檢驗其功效，這些小鼠的巨噬細胞具有和人類相同的SIRPa受體。

研究人員進行對照研究，一組小鼠注射攜帶有CD47蛋白通行證的分子機器，另一組小鼠注射沒有CD47蛋白的另一種納米粒子（分子機器），然后檢測小鼠免疫系統(tǒng)要多久才能識別出分子機器。二三十分鐘后，注射帶有通行證的分子機器的小鼠體內(nèi)的分子機器數(shù)量是對照組分子機器的4倍。這說明對照組小鼠的免疫系統(tǒng)

能阻止分子機器，而注射攜帶有CD47蛋白通行證的分子機器的小鼠免疫系統(tǒng)能與分子機器和平共處。

當(dāng)然，這種可以躲避機體免疫系統(tǒng)的分子機器進入臨床應(yīng)用還需要改進，例如將其通行證減少到只有幾個氨基酸（通行證分子越簡單，就越容易合成），而且如果能統(tǒng)一制造，就可以方便地制造成攜帶各種不同藥物和植入物，甚至是手術(shù)刀的分子機器，并且能粘附在專門的抗體上瞄準(zhǔn)癌細胞或其他病灶組織。

讓分子機器直接找到目標(biāo)

能躲避機體免疫系統(tǒng)的攻擊是分子機器獲得臨床應(yīng)用的重要一步，下一步就是引導(dǎo)分子機器到達目標(biāo)，如癌細胞和如何針對癌細胞釋放藥物，以及釋放多少藥物。

針對病灶部位的靶向輸送藥物分為三級，依次為靶器官、病變細胞和病變細胞中的細胞器，現(xiàn)在，讓分子機器向病變的器官和細胞輸送藥物有了一些成果，但是針對細胞內(nèi)的細胞器輸送藥物還比較困難。

利用分子機器向特定目標(biāo)輸送藥物又分為被動靶向和主動靶向兩種。被動靶向主要是根據(jù)藥物及分子機器本身的性質(zhì)，使得攜帶有藥物的分子機器被體內(nèi)的單核巨噬細胞攝取，尤其是被肝臟的庫普弗（Kupffer）細胞攝取，然后被運送到相應(yīng)的器官如肝、脾等，這類分子機器除了有納米球、微球外，還有脂質(zhì)體（靶向制劑）等。

主動靶向則是對分子機器加以修飾，變得更加有針對性，就像導(dǎo)彈一樣被定向發(fā)送到靶部位。例如，在載藥分子機器的顆粒表面修飾特定的配體或抗體，使分子機器能夠主動靶向具有相應(yīng)受體和抗原決定簇的細胞?，F(xiàn)在，主動靶向分子機器（制劑）主要有納米球、長循環(huán)脂質(zhì)體、免疫脂質(zhì)體等。

最近，美國北卡羅來納州立大學(xué)和中國藥科大學(xué)的研究人員合作，用石墨烯片作為分子機器，將兩種抗癌藥主動有序地輸送到癌細胞，而且，每種藥物能靶向特定細胞的不同部位，成為一種新型的主動靶向分子機器。這種分子機器已經(jīng)能定向到達亞細胞目標(biāo)，即細胞內(nèi)的細胞核等目標(biāo)。

TRAIL是一種抗癌蛋白（藥物），阿霉素也是一種對癌癥有效的藥物，但是，這兩種藥物發(fā)揮療效的部位是不同的。TRAIL要傳遞到癌細胞外膜上時才最有效，阿霉素要傳遞到細胞核上時才最有效。

于是研究人員設(shè)計了一種分子機器，把TRAIL和阿霉素兩種藥物附著到石墨烯片上。石墨烯是一種二維的碳薄片，只有一個原子的厚度，阿霉素會與石墨烯物理結(jié)合，TRAIL則通過稱為多肽的一段氨基酸鏈，結(jié)合到石墨烯的表面。研究人員希望讓這兩種藥物按順序進行傳遞，讓每種藥物在癌細胞的不同部位發(fā)揮最佳抗癌效果。

裝載有TRAIL和阿霉素的石墨烯片（分子機器）以溶解狀態(tài)進入血液，一般腫瘤會引起鄰近血管泄漏，因此進入血流的分子機器會在腫瘤處的血管漏洞滲透進腫瘤。然后，石墨烯分子機器與癌細胞接觸，癌細胞表面的受體會緊緊抓住TRAIL。同時，癌細胞表面常見的一些酶會切斷TRAIL和石墨烯之間的多肽鏈，讓TRAIL留在癌細胞表面，癌細胞則吸收裝滿阿霉素的石墨烯分子機器。

留在癌細胞表面的TRAIL會開啟一個過程來觸發(fā)癌細胞死亡。當(dāng)石墨烯分子機器被癌細胞“吞食”后，細胞內(nèi)的酸性環(huán)境會促使阿霉素從石墨烯上分離下來，以攻擊癌細胞的細胞核。

由于石墨烯具有很大的表面積，因此，石墨烯分子機器又被稱為“石墨烯飛毯”，它能將更多的TRAIL輸送到目標(biāo)癌細胞膜表面，還能將更多的阿霉素輸送到癌細胞內(nèi)部。

研究人員在實驗室對患肺癌小鼠開展臨床前試驗，以檢測這種分子機器的療效。與單獨使用阿霉素或TRAIL、或者阿霉素和TRAIL聯(lián)合（石墨烯和TRAIL之間的肽類沒有被切斷）相比，這種分子機器輸送藥物的療效更好。不過，這項分子機器輸送藥物技術(shù)還需要人體試驗來確定它的效果。

智能分子機器輸送藥物

分子機器輸送藥物的最高境界是智能輸送，也就是根據(jù)體內(nèi)的不同環(huán)境和條件輸送藥物和釋放最佳劑量。

由于輸送藥物的分子機器是一種生物聚合物，而且人體又是一個復(fù)雜的生命系統(tǒng)，前者會因為后者的種種因素而改變特性，甚至有時因為體內(nèi)環(huán)境的變化而無法輸送藥物。人體內(nèi)的環(huán)境包括物理因素（溫度、壓力、電荷和光線等）、化學(xué)因素（pH值，離子強度等）、生物信號因素（酶類，生物分子）等。例如，一般的實體瘤就具有微酸環(huán)境，因此，需要設(shè)計能應(yīng)對這些環(huán)境的智能分子機器來輸送藥物。

在輸送藥物的分子機器的設(shè)計和應(yīng)用中，首先需要根據(jù)上述種種因素設(shè)計“開關(guān)系統(tǒng)”，讓分子機器能夠利用“開關(guān)系統(tǒng)”進行程序化和可預(yù)測的方式釋放藥物，也稱為按需釋放藥物，以達到增強療效并降低藥物毒性和副作用的目的。

例如，釋放胰島素的分子機器能夠根據(jù)機體內(nèi)部血糖水平的變化來釋放胰島素。對于具有微酸環(huán)境的實體瘤，就需要設(shè)計裝載具有pH敏感性的抗腫瘤藥物的分子機器，在到達腫瘤部位時，因腫瘤的酸性而讓分子機器溶解并釋放內(nèi)容物，如抗癌藥物阿霉素。

從這些角度看，分子機器輸送藥物或進行人體內(nèi)的手術(shù)具有廣闊的前景。而且，分子機器的出現(xiàn)會像19世紀(jì)30年代出現(xiàn)電機一樣，帶來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的廣泛和飛躍發(fā)展。電機在后來帶動了電動火車、洗衣機、風(fēng)扇、食物處理器等多種發(fā)明，與電機相似，分子機器未來可以在醫(yī)療保健、能源和工業(yè)等行業(yè)大顯身手。

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