中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

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2019年 9月25日-27日 | 上海世博展览馆

机器人放进血管可以饿死肿瘤?

2019-01-02

提到机器人,大家脑海中浮现出的第一印象可能都是那些长得似人非人,有着钢筋铁骨的呆萌机器。

但与大家的直观感受有所不同,其实“机器人”这一概念的定义非常宽泛,凡是能自主执行任务,用来协助人类工作的人造装置,都能算做是机器人。所以广义上说,生产线上的装配机,食堂里切刀削面的奥特曼,乃至家里常见的滚筒洗衣机,都属于机器人的范畴。

而有一类特殊的新概念“机器人”,既没有钢铁身躯,也没有电子元件,这种让人感觉摸不着头脑的“机器人”,就是纳米机器人了。

什么是纳米机器人?

通俗来讲,所有能够在纳米(也包括几微米)尺度上完成任务的东西,都能算作纳米元件,其中当然也包括细胞内合成蛋白的核糖体,溶解细胞废物的溶酶体,在细胞间传输信号的外泌体等等。

但如果说他们是机器人,还差了一个至关重要的因素,那就是人工制造。与这些天然纳米原件相似,纳米机器人也是在纳米尺度上执行化学或生化任务,构成这些纳米机器人的,一般也不是电子元件,而往往是一些有机分子(也有可能带有金属等无机部件)。驱动它们运行的,一般也不是宏观机器人常用的电能,而是天然纳米原件中常见的生物化学反应。而纳米机器人和天然纳米原件的主要区别,就是纳米机器人执行的不是老天爷在几百几千万年前制定的任务,而是设计他们的科学家开的脑洞。

纳米“领航员”机器人

近日,上海交通大学和中科院上海应用物理研究所的科学家们就开发出了一种很有趣的纳米“领航员”机器人(发表在nature material,自然。材料上)。它们使用DNA“折纸”(dna origami)制作了一种纳米尺度的方形二维结构,然后在上面的特定路线留下发夹状的DNA分子路标。之后再加入能“激活”这些路边的启动子(只需要一个哟)和用于促使反应持续的“燃料”分子,单分子链式反应就能沿着设计者留下的分子路标向前推进。

机器人放进血管可以饿死肿瘤?

这个纳米领航员机器人的工作方式很像大家常见的多米诺骨牌

看着很晕是不是?下面我用人话来翻译一下。大家想象一下,二维的DNA折纸就像一块地板。在地板上,有一排用DNA分子做成的多米诺骨牌,在没有启动分子的情况下,这些骨牌都是稳定得立着的,但当你向骨牌的一端扔下一块启动分子的时候,这些骨牌就会依次朝着另一端倒下,从而使倒下的骨牌形成一条明显的通向另一端的路径。

但与能同时触发多条分叉路径的多米诺骨牌不同,在这个纳米领航员的骨牌游戏里,如果留下的DNA路标被做成了有多条分叉的迷宫,单分子“领航员”就只会随机沿着其中的一条路径向前延伸(也有可能走到死路)。不过,这样的一张纳米折纸比大家用来玩骨牌的地板要小得多,也就是说可以在不大的面积里同时放下许多这样的DNA纳米折纸。哪怕单个单元里,“分子领航员”找到正确路径的概率不大,只要有足够多的纳米折纸,总有一些运气比较好的分子领航员会找到走出迷宫的最佳路径。

机器人放进血管可以饿死肿瘤?

被大量领航员纳米机器人暴力破解的迷宫路径

简而言之,在这个纳米骨牌系统里,每一片DAN纳米折纸和它上面的分子领航员,都可以被看成一个计算单元。由于一片折纸只有纳米尺寸,可以在微米尺度的面积内放下许多个计算单元,拥有可观的计算能力。这种特性可以被用来用枚举法“暴力破解”纳米迷宫,也有希望被用来制造纳米级别的分子传感结构。从这种意义上说,这个系统被称为纳米“机器人”,或者说分子计算机,也算当之无愧了。

纳米机器人:精确打击实体肿瘤

基于有机分子的“纳米机器人”,远不止有暴力破解纳米迷宫这一种听起来不太贴近生活的功能。前一段时间,我们曾经报道过,亚利桑那州立大学和中国纳米科学中心的科研人员,开发出了一种同样是基于DNA折纸技术,且可以精确打击实体肿瘤的“纳米机器人”,该文章发表在今年二月的nature biotechnology (自然,生物技术)。简而言之,这个纳米机器人在被注射入体内之后,可以利用外表携带的肿瘤特异性配体(aptamer),识别肿瘤富集的局部环境,并在找到这种特殊的靶点环境之后由筒状展开成片状,露出内部携带的能杀伤实体肿瘤的药物 (在他们的设计中是凝血酶)。其工作机理非常类似于现代战争中常用,能寻找攻击目标并在到达目标后才起爆的精确制导巡航导弹。

机器人放进血管可以饿死肿瘤?

机器人放进血管可以饿死肿瘤?

抗肿瘤纳米机器人,两边的绿色dna配体用来识别肿瘤细胞,中间携带的紫色物体是抗实体瘤所用的凝血酶 上图为巡航状态,下图为攻击状态

除了上文中介绍到的两种纳米机器人之外,还有很多种用于精确给药等功能的纳米机器人,其中的一些听起来非常科幻,已经超出了作者的了解范围,在此就不班门弄斧了。

值得注意的是,而包括本文详细介绍的两种技术在内的几乎所有纳米机器人,都不需要电能驱动,它们的工作过程,高度依赖于它们自己的特殊物理性质和高度特异的化学反应。这就导致了它们的设计和制造过程不仅非常复杂,而且成本高昂。

我相信,如何让这些高端大气上档次的新概念纳米机器人,逐步走入寻常百姓的生活,将会是很多科学家在未来一段时间内努力的目标。让我们拭目以待吧!

 

来源: 机器人库