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(shè)想、構(gòu)造和研發(fā)已經(jīng)成為前沿?zé)狳c。伴隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進步，醫(yī)療納米機器人逐漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、探測和體內(nèi)治療等領(lǐng)域，為病人提供全新精準(zhǔn)的治療方案。本文通過對國內(nèi)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(fā)展現(xiàn)狀，討論了需要解決的問題和難點，總結(jié)了該領(lǐng)域下一步發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：癌癥 ?納米機器人 ?DNA納米機器人

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

納米機器人主要體現(xiàn)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(xué)范疇，由于本身的微型特點，可以在完成特定工作時發(fā)揮優(yōu)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(zhí)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(guī)模集成電路（VLSI）及納米電子電路、化學(xué)傳感器、溫度傳感器、驅(qū)動器、供能裝置、數(shù)據(jù)傳輸?shù)萚2]，這些部分組成納米機器人，工作于人體內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境。1959年，諾貝爾獎得主理查德·費曼第一次提出了納米技術(shù)的設(shè)想，他在一次演講中提出：人類將有能力創(chuàng)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(gòu)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(xiàn)已成為世界第二大致死病因。當(dāng)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(nèi)的正常細(xì)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(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代微電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展和90年代納米技術(shù)的興起，推動了納米機器人發(fā)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(xiàn)于臨床帶來醫(yī)學(xué)革命[5]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，理查德·費曼的想法正在被逐漸實現(xiàn)，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(xiàn)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(xué)Lund K等人成功研制出一種由DNA分子構(gòu)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(shù)直至100納米。這款納米機器人外觀與蜘蛛相似，設(shè)計多條腿協(xié)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(shè)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(dāng)提取到各個納米蜘蛛機器人之前的相互聯(lián)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(wù)，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(nèi)能更好的規(guī)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(jù)編程能夠自動且不間斷的在人體內(nèi)巡邏，尋找癌細(xì)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(shù)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(xué)小組進行設(shè)計[7]。Andrew認(rèn)為谷歌設(shè)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(huán)境內(nèi)工作。在外加磁場的作用下，通過納米磁性粒子的磁性導(dǎo)向性，使納米機器人準(zhǔn)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(xì)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(jié)合制成載藥分子，精確找到癌細(xì)胞藏身之處并釋放藥物殺死癌細(xì)胞。該科學(xué)小組同時還在進一步構(gòu)想，通過納米機器人來鏈接人腦和外界系統(tǒng)，以此來深度開發(fā)人腦智力，徹底改變生活。這些技術(shù)和設(shè)想依舊還停留在研發(fā)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(shù)研究一直在進步并持續(xù)突破。

1.3 分揀功能DNA納米機器人

2017年，美國加州理工大學(xué)A. J. Thubagere等人在《科學(xué)》雜志上發(fā)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(xì)小而無法到達的地方，例如血液。這款DNA納米機器人設(shè)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(nèi)分子表面，然后抬起另一只腳，實現(xiàn)位移，當(dāng)途中遇到需要運載的貨物時，便分揀運送到指定地點。據(jù)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(yīng)用于癌癥治療中，該DNA納米機器人在人體內(nèi)運輸藥物，殺死癌細(xì)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(xì)胞帶來未知傷害。在體內(nèi)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(jié)合。DNA 納米機器人有兩條結(jié)合鏈，當(dāng)一條和DNA單鏈結(jié)合時，另一條結(jié)合鏈則是自由的。人體內(nèi)的分子波動會使得自由的結(jié)合鏈抵到另一根DNA單鏈，進行下一次配對，相當(dāng)于人類雙腳行走，實現(xiàn)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(tǒng)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(nèi)繼續(xù)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(tǒng)控制沒有什么區(qū)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(xì)胞的藏身之處，從而釋放藥物，完成任務(wù)。這款癌癥治療納米機器人的設(shè)計更加依賴于人體內(nèi)分子的生物性質(zhì)，以此適用于人體內(nèi)復(fù)雜環(huán)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(fā)展，在納米級別下的機器人設(shè)計也逐漸完善。2018年，Suping Li和Qiao Jiang等人設(shè)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(shù)[9]。DNA折紙技術(shù)是將一條DNA單鏈進行折疊，并輔助以數(shù)百條短纖維鏈來固定，可以變?yōu)槿我獾慕Y(jié)構(gòu)。這種DNA折紙技術(shù)，可以通過折疊改變DNA的結(jié)構(gòu)，用來適應(yīng)不同空間的工作環(huán)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(xì)胞血管內(nèi)，在血管內(nèi)形成血栓來切斷癌細(xì)胞的血液供應(yīng)，致使癌細(xì)胞死亡[10]。一般來說，一根血管供應(yīng)著多個癌細(xì)胞的營養(yǎng)運輸，如果將這一血管堵塞，癌細(xì)胞就會因此死亡，殺死癌細(xì)胞的效率大大增高。Suping Li等人依據(jù)DNA折紙技術(shù)，提出設(shè)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(jié)構(gòu)，在管子中裝載凝血酶，并嚴(yán)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(shè)計一個智能系統(tǒng)，使其具有生物特異性，因此可以準(zhǔn)確尋找到癌細(xì)胞的藏身之處。DNA納米機器人通過癌細(xì)胞表面的特定受體進行定位，打開分子開關(guān)，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(jīng)過科研人員的大量實驗，并沒有發(fā)現(xiàn)在動物體內(nèi)引起免疫反應(yīng)，具有足夠的安全性。Hari R. Singh等人認(rèn)為[11]：通過DNA納米折紙技術(shù)，折疊DNA單鏈變成合適的形狀，并通過某些化學(xué)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(zhǔn)結(jié)合，靶向治療。但他也同時認(rèn)為，若腫瘤細(xì)胞內(nèi)血管供養(yǎng)并不發(fā)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(shù)來探測體內(nèi)癌細(xì)胞的生長狀況[12]。同時設(shè)計嵌入式系統(tǒng)，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(shè)計中，為了避免人體環(huán)境副作用的產(chǎn)生，選擇碳納米同位素作為機器人的材料。當(dāng)該納米機器人被注射進入人體內(nèi)之后，由于材料的穩(wěn)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(nèi)。這款納米機器人的構(gòu)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(yōu)。

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(nèi)，從零起步，經(jīng)過一系列的發(fā)展，對其研究取得了突破性的成果，這將大大改變?nèi)藗兊恼J(rèn)知，造福人類生活。癌癥治療納米機器人從根本上殺死癌細(xì)胞，而不損害身體內(nèi)的正常細(xì)胞，被認(rèn)為是最精準(zhǔn)的靶向治療方式，能夠大大滿足人們的醫(yī)療需求，帶來醫(yī)學(xué)革命[13]。但由于目前技術(shù)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(fā)展現(xiàn)狀總結(jié)來說，當(dāng)分析納米蜘蛛機器人之間的相互作用和聯(lián)系時，需要通過程序與算法來進行計算。這將會出現(xiàn)時間延遲現(xiàn)象，在這段延遲中，會存在不可預(yù)測的風(fēng)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(nèi)的磁場變得十分復(fù)雜，難以精細(xì)控制，這將會導(dǎo)致對癌細(xì)胞定位不準(zhǔn)，帶來人體的傷害。不僅如此，磁場受外界環(huán)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(yīng)的情況下可以攜帶藥物行走，尋找癌細(xì)胞并釋放藥物。然而在沒有能量供應(yīng)的情況下，機器人僅靠分子波動，在體內(nèi)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(jù)上述對于管狀DNA納米機器人的現(xiàn)狀分析，該機器人具有良好的安全性和免疫惰性，被認(rèn)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(dǎo)供養(yǎng)效果的惡性腫瘤細(xì)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(dāng)機器人處于納米級別時，僅通過實驗的宏觀仿真無法預(yù)測納米結(jié)構(gòu)組成的各種風(fēng)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(shù)的體液環(huán)境極其復(fù)雜，有許多柔軟內(nèi)壁，進入人體內(nèi)工作的納米機器人具有風(fēng)險性，在生物環(huán)境中受到障礙干擾會影響精準(zhǔn)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(xiàn)，由于當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的不足、學(xué)科交叉的復(fù)雜性和材料構(gòu)成的不穩(wěn)定性等都不同程度限制了癌癥治療納米機器人的發(fā)展[14]。但不可否認(rèn)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(xiàn)了長足進步。

3 ?癌癥治療納米機器人發(fā)展與展望

當(dāng)今醫(yī)療體系和技術(shù)變革成為了社會所關(guān)注的焦點，隨著經(jīng)濟的不斷增長，人們對醫(yī)療健康的關(guān)注度越來越高，迫切期待著精準(zhǔn)高效的醫(yī)療手段。由于癌癥疾病的難以預(yù)防和死亡比例的日益增高，癌癥治療的新型醫(yī)療手段更是成為重點發(fā)展方向。醫(yī)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(fā)展受到社會各方面的重視，深度研發(fā)癌癥治療納米機器人成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主流[15]。目前，癌癥治療納米機器人的研究仍處于研發(fā)初級階段，還未能在臨床實現(xiàn)。在未來，隨著計算機科學(xué)、材料學(xué)、機器人學(xué)和醫(yī)學(xué)等學(xué)科的發(fā)展和學(xué)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(fā)展空間。各國國家政府也會繼續(xù)大力支持癌癥治療納米機器人的研發(fā)，推進該新型產(chǎn)業(yè)發(fā)展?？蒲腥藛T持之以恒、不斷創(chuàng)新，勢必會在關(guān)鍵技術(shù)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(wěn)定性，應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)。

對此，為促進癌癥治療納米機器人的操作功能和發(fā)展，可以從以下幾點尋求突破[16]：一是優(yōu)化癌癥治療納米機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，增加靈活性使其能夠更加適應(yīng)人體內(nèi)環(huán)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(tǒng)進行更深入的開發(fā)，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(yōu)化，提高效率同時要降低在人體內(nèi)的不適感，提高能量運輸?shù)姆€(wěn)定性等。相信通過各方面技術(shù)的發(fā)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(yīng)用于臨床，為攻克癌癥疾病提供強有力幫助。

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