BESA THURSDAY 比薩攝食日(十) 小小兵出動！生物奈米機器人將成為抗癌新選擇？！

撰文/邱靖元

編輯/陳威廷

圖/邱靖元

癌症治療方法日新月異，目前的手段有：手術切除、化療、放射線治療、免疫療法等。而在未來，生物奈米機器人將有望成為對抗癌症的新選擇之一，就讓 BESA 小編帶領大家進入奈米的世界一探究竟吧！

什麼是奈米機器人？

奈米機器人 (nanorobots) 是一種大小介於 100-1000 奈米的裝置，它能在非常微小尺度的環境中完成「不可能的任務」，其大小甚至比紅血球的直徑 (7000 奈米) 還小，略比細胞表面的受體 (40 奈米) 還大，而 DNA 約 2 奈米。此外，以廣義來說，能以「奈米精度」操作的大型機器也屬於奈米機器人，如：掃描式電子顯微鏡。醫學是奈米機器人主要的應用領域，其他還包括：環境工程、太空科技等。

根據材料與設計的不同，奈米機器人可分為 4 種：

生物奈米機器人 (Bio-Nanorobots)
磁導式奈米機器人 (Magnetically Guided Nanorobots)
以細菌為基礎的奈米機器人 (Bacterial-Based Nanorobots)
奈米機械臂 (Nano-Manipulators)

以生物體元素來製造「生物奈米機器人」

生物奈米機器人是一種以生物體元素 (Biological elements) 作為零組件的奈米裝置，這些 DNA、蛋白質可當作裝置的架構、馬達、機械接頭、傳輸元件或感測器，在沒有額外電力提供動能的狀況下，透過「生物化學反應」產生「機械動能」，並在細胞層次上發揮它們原本的生物功能 (如：運動、感知、施力和傳遞訊號等)。若要奈米機器人產生直線運動，可安裝「肌球蛋白 (myosin)」；若要產生旋轉運動，可安裝「FoF1-ATP 合成酶 (FoF1-ATP synthase)」等。目前，生物奈米機器人在醫學研究的應用包括清除體內細菌、癌細胞等。本篇文章將舉例目前「抗癌生物奈米機器人」的研究成果。

能「阻斷腫瘤供血血管」的 DNA 奈米機器人

2018 年，美國亞利桑那州立大學 (ASU) 和中科院國家奈米科學中心研究團隊共同開發出「阻斷腫瘤供血血管」的生物奈米機器人，並將成果發表至《Nature Biotechnology》。這個奈米機器人以大小約 90*60*2 奈米的矩形 DNA 摺紙板 (origami sheet) 為架構，並在其平面上鑲嵌凝血酶 (thrombin)，藉此凝固腫瘤供血血管的血液，使腫瘤細胞得不到養分，進而被「餓死」。

為了讓奈米機器人專一性地作用在腫瘤上，研究員在 DNA 摺紙板的周圍一端鑲嵌了單股 DNA 適體 (aptamer)，另一端則鑲嵌其對應的單股 DNA 鏈，兩條單股鏈結合形成 DNA 緊固件 (fastener)，使 DNA 摺紙板能捲成圓筒，讓凝血酶包覆在圓筒內，防止凝血酶在還沒抵達腫瘤前就作用。而這個設計過的 DNA 適體還能像抗體 (antibody) 一樣，專一性地結合腫瘤細胞上的核仁蛋白 (nucleolin，只有癌細胞會表現)，此時，DNA 適體會與原本結合的對應單股 DNA 鏈鬆開，使凝血酶釋放出來，達到專一性「阻斷腫瘤供血血管」又不傷害健康組織的效果。

研究團隊也透過黑色素瘤、肺癌等小鼠模型進行動物試驗，發現注射過奈米機器人的小鼠，會有腫瘤縮小、甚至完全復原的狀況，在腫瘤血管中也能找到血栓塊，而正常血管則沒有凝血現象。此外，這些在體內的奈米機器人大部分會在 24 小時內被清除分解，不會有堆積體內的問題，且不會引發小鼠發炎。未來，研究團隊也計畫將此生物奈米機器人推向臨床試驗。

生物奈米機器人的研究仍處於「早期發展」階段

生物奈米機器人絕大多數還處於發展的早期階段，由於生物體元素的複雜性 (如：蛋白質摺疊方式的不同、生物體元素間相互作用或組裝的能力)，尚未有一個預設的技術來製造生物奈米機器人。此外，要在分子尺度上精確操控奈米機器人並產生功能也是一大挑戰。相信透過科學家們的智慧，這些問題將在未來以創意的方式被解決，讓人們在消除疾病的路上更邁進了一步。

【參考資料】

Nistor M.T. and Rusu A.G. Polymeric Nanomaterials in Nanotherapeutics. Nanorobots With Applications in Medicine. 2019.
Ummat A., Sharma G., Mavroidis C., and Dubey A. Bio-Nanorobotics: State of the Art and Future Challenges. 2005.
Saadeh Y. and Vyas D. Nanorobotic Applications in Medicine: Current Proposals and Designs. 2014.
Li S., Jiang Q., Liu S., et al. A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo. 2018.