癌症治疗纳米机器人的研究现状与发展

邵尤佳

摘   要：随着科技的进步以及纳米时代的到来，对于纳米机器人的设想、构造和研发已经成为前沿热点。伴随着现代医学的进步，医疗纳米机器人逐渐应用于医学诊断、探测和体内治疗等领域，为病人提供全新精准的治疗方案。本文通过对国内外对于癌症治疗的纳米机器人的分析，综述了癌症治疗纳米机器人的发展现状，讨论了需要解决的问题和难点，总结了该领域下一步发展的方向。

关键词：癌症  纳米机器人  DNA纳米机器人

中图分类号：TP242                                 文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）04（c）-0044-03

纳米机器人主要体现在微型上，是一种在纳米或分子级别下可以被控制的机器，属于分子仿生学范畴，由于本身的微型特点，可以在完成特定工作时发挥优势[1]。纳米机器人可以分为两类，一类是纳米级别体积的机器人，一类是用于执行纳米操作的机器。纳米机器人也有属于自己的各个组成部分，其中包括超大规模集成电路（VLSI）及纳米电子电路、化学传感器、温度传感器、驱动器、供能装置、数据传输等[2]，这些部分组成纳米机器人，工作于人体内的复杂环境。1959年，诺贝尔奖得主理查德·费曼第一次提出了纳米技术的设想，他在一次演讲中提出：人类将有能力创造出一种微型机器，这款机器只有分子程度的大小，存在于极小空间中，可以作为构造基层的微型部件[3]。

癌症正摧残人们的健康，每年因癌症死亡的人群比例日益增高，现已成为世界第二大致死病因。当前癌症的治疗是通过切除恶性肿瘤，并加以化疗和放疗等方式，但这大大损耗了人体内的正常细胞，带来身体的伤害[4]。通过对以下各类癌症治疗纳米机器人的分析，引申并思考解决途径来进一步深入研究，促进癌症治疗纳米机器人进入真实临床。

1  癌症治疗纳米机器人研究现状

20世纪80年代微电子技术的蓬勃发展和90年代纳米技术的兴起，推动了纳米机器人发展，世界各地的科研人员一直致力于研制癌症治疗纳米机器人，促使实现于临床带来医学革命[5]。随着科学技术的发展，理查德·费曼的想法正在被逐渐实现，目前为止，已有不少科研小组在癌症治疗纳米机器人的研究上获得进展，以下分析部分研究现状及成果。

1.1 纳米蜘蛛机器人

2010年5月，美国哥伦比亚大学Lund K等人成功研制出一种由DNA分子构成的纳米蜘蛛机器人，这种机器人能够跟随DNA的运动轨迹无障碍的行走和自行停止[6]。纳米蜘蛛机器人只有4纳米长，辅以生物催化剂作为助动器，推进纳米蜘蛛机器人行走较多步数直至100纳米。这款纳米机器人外观与蜘蛛相似，设计多条腿协作共同工作，确保行走时不会游离在体液中。用时，寡核苷酸作为机器人的配体，为实验室设计行走路线提供指引和方向。这款纳米蜘蛛机器人需要编程控制，当提取到各个纳米蜘蛛机器人之前的相互联系和作用后，一旦进行程序输入，纳米蜘蛛机器人就能按照程序指定的轨迹行走并进行特定工作。这表明，分析完毕相互作用和程序传输后，他们就可以自动完成任务，之后便不需要人为介入。这种自由性需要加以约束，该实验室也在进行改进，使纳米蜘蛛机器人在体内能更好的规划行走，具有特定方向性。这款纳米蜘蛛机器人在进入人体后，根据编程能够自动且不间断的在人体内巡逻，寻找癌细胞的藏身之处，杀死恶性肿瘤，从而为癌症患者提供强有力的治疗支持。

1.2 磁性纳米粒子

和上述研究相比，在2015年的WSJD在线全球技术大会上，有一项研究同样得以瞩目，那就是纳米磁性粒子，由谷歌X实验室生命科学小组进行设计[7]。Andrew认为谷歌设计的这一款纳米磁性粒子，也就是纳米机器人，同样可以在人体环境内工作。在外加磁场的作用下，通过纳米磁性粒子的磁性导向性，使纳米机器人准确作用于肿瘤病变部位，增强对病变组织的靶向性，降低对正常组织细胞的伤害。这款纳米磁性粒子主要作用为：在血液中植入纳米磁性粒子，该粒子与药物结合制成载药分子，精确找到癌细胞藏身之处并释放药物杀死癌细胞。该科学小组同时还在进一步构想，通过纳米机器人来链接人脑和外界系统，以此来深度开发人脑智力，彻底改变生活。这些技术和设想依旧还停留在研发试验阶段，上述的项目还没有真正进入临床，但人们对于癌症治疗纳米机器人的技术研究一直在进步并持续突破。

1.3 分拣功能DNA纳米机器人

2017年，美国加州理工大学A. J. Thubagere等人在《科学》杂志上发文，介绍了一款具有分拣功能的DNA纳米机器人[8]，这款纳米机器人可以被派送到对于人类来说太细小而无法到达的地方，例如血液。这款DNA纳米机器人设计有两只可以行走的脚和用来承载货物的双臂。机器人在移动时，和人类行走一样，首先一只脚着陆在体内分子表面，然后抬起另一只脚，实现位移，当途中遇到需要运载的货物时，便分拣运送到指定地点。据实验分析表明，这款纳米机器人递送货物的成功率为80%，这意味着在应用于癌症治疗中，该DNA纳米机器人在人體内运输药物，杀死癌细胞的成功率为80%。但若用于临床中，仍有20%的不确定性，会对人体自身的健康细胞带来未知伤害。在体内大分子的表面，有上百条DNA单链，这些单链与 DNA 纳米机器人碱基互补，该DNA纳米机器人会和这些DNA单链相结合。DNA 纳米机器人有两条结合链，当一条和DNA单链结合时，另一条结合链则是自由的。人体内的分子波动会使得自由的结合链抵到另一根DNA单链，进行下一次配对，相当于人类双脚行走，实现空间移动。所以在此过程中，即使无能量供给，DNA纳米机器人依然可以在分子表面行走。该DNA纳米机器人的工作目的是运载药物并将其放置在指定地，如果接收到来自系统控制的指令，机器人就会卸下药物。如果收不到指令，机器人就会携带药物在体内继续移动。实验室通过程序来控制DNA纳米机器人，与宏观机器人系统控制没有什么区别。各个DNA纳米机器人之间依靠算法互相交流，更好的寻找癌细胞的藏身之处，从而释放药物，完成任务。这款癌症治疗纳米机器人的设计更加依赖于人体内分子的生物性质，以此适用于人体内复杂环境。

1.4 管状 DNA纳米折纸机器人

对于癌症治疗DNA纳米机器人的研究一直在发展，在纳米级别下的机器人设计也逐渐完善。2018年，Suping Li和Qiao Jiang等人设计出一种DNA纳米折纸机器人，这是基于2006年Rothemund提出的DNA折纸技术[9]。DNA折纸技术是将一条DNA单链进行折叠，并辅助以数百条短纤维链来固定，可以变为任意的结构。这种DNA折纸技术，可以通过折叠改变DNA的结构，用来适应不同空间的工作环境。在折叠后的DNA中，放入治疗癌症的药物或配体等，成为具有高度安全性的载药粒子。凝血酶可以作用于肿瘤细胞血管内，在血管内形成血栓来切断癌细胞的血液供应，致使癌细胞死亡[10]。一般来说，一根血管供应着多个癌细胞的营养运输，如果将这一血管堵塞，癌细胞就会因此死亡，杀死癌细胞的效率大大增高。Suping Li等人依据DNA折纸技术，提出设计一种定制的管状DNA纳米机器人，这款机器人折叠成特定的结构，在管子中装载凝血酶，并严格的与外界隔开，保证运输过程中凝血酶不会被分解。并为该DNA纳米机器人设计一个智能系统，使其具有生物特异性，因此可以准确寻找到癌细胞的藏身之处。DNA纳米机器人通过癌细胞表面的特定受体进行定位，打开分子开关，在合适血管释放凝血酶，堵塞血管从而为癌症治疗提供帮助。经过科研人员的大量实验，并没有发现在动物体内引起免疫反应，具有足够的安全性。Hari R. Singh等人认为[11]：通过DNA纳米折纸技术，折叠DNA单链变成合适的形状，并通过某些化学方法来改变DNA的分子特性，可以使管状DNA纳米机器人与受体精准结合，靶向治疗。但他也同时认为，若肿瘤细胞内血管供养并不发达，该DNA纳米机器人工作效果并不明显。

1.5 正电子放射断层造影纳米机器人

Maheswari.R和Sheeba Rani.S等人提出了另外一种用来探测癌症的纳米机器人，这款机器人利用正电子的放射断层造影技术来探测体内癌细胞的生长状况[12]。同时设计嵌入式系统，通过在Arduino软件平台编程来控制纳米机器人。在Maheswari.R等人的设计中，为了避免人体环境副作用的产生，选择碳纳米同位素作为机器人的材料。当该纳米机器人被注射进入人体内之后，由于材料的稳定性和安全性，并不会对人体带来伤害，并在工作完毕后会随排泄物排出体内。这款纳米机器人的构成和宏观机器人类似，也具有传感器，供能装置和摄像头等，同时利用高级算法得出最短路径，并通过传感器避开障碍物寻优。

2  癌症治疗纳米机器人存在的问题

癌症治疗纳米机器人在几十年时间内，从零起步，经过一系列的发展，对其研究取得了突破性的成果，这将大大改变人们的认知，造福人类生活。癌症治疗纳米机器人从根本上杀死癌细胞，而不损害身体内的正常细胞，被认为是最精准的靶向治疗方式，能够大大满足人们的医疗需求，带来医学革命[13]。但由于目前技术的局限性，癌症治疗纳米机器人的研究依然存在着一些缺憾和问题。

对于上述发展现状总结来说，当分析纳米蜘蛛机器人之间的相互作用和联系时，需要通过程序与算法来进行计算。这将会出现时间延迟现象，在这段延迟中，会存在不可预测的风险问题。同时，对于纳米磁性粒子等通过外加磁场进行控制的类似研究，也存在如下问题：由于磁场具有方向性，在狭小空间内的磁场变得十分复杂，难以精细控制，这将会导致对癌细胞定位不准，带来人体的伤害。不仅如此，磁场受外界环境的干扰性也是需要重视的因素。分拣功能DNA纳米机器人在没有能量供应的情况下可以携带药物行走，寻找癌细胞并释放药物。然而在没有能量供应的情况下，机器人仅靠分子波动，在体内行走速度缓慢。为了提高速度，可以尝试寻找一种合适的酶来进行催化，或增加马达来解决问题。根据上述对于管状DNA纳米机器人的现状分析，该机器人具有良好的安全性和免疫惰性，被认为是目前为止最完善和最有潜力进入临床的研究。但对于血管不起主导供养效果的恶性肿瘤细胞来说，放置凝血酶的管状DNA纳米机器人是在做无用功。Maheswari.R等人的正电子放射断层造影纳米机器人实验仿真是宏观的，但当机器人处于纳米级别时，仅通过实验的宏观仿真无法预测纳米结构组成的各种风险，以及纳米机器人聚集在一起时对人体带来的危害。处于低雷诺数的体液环境极其复杂，有许多柔软内壁，进入人体内工作的纳米机器人具有风险性，在生物环境中受到障碍干扰会影响精准度、带来延迟。

以上存在的问题仅仅是癌症治疗纳米机器人的部分体现，由于当前科学技术的不足、学科交叉的复杂性和材料构成的不稳定性等都不同程度限制了癌症治疗纳米机器人的发展[14]。但不可否认的是，在科研人员的不懈努力下，癌症治疗纳米机器人在各个方面都实现了长足进步。

3  癌症治疗纳米机器人发展与展望

当今医疗体系和技术变革成为了社会所关注的焦点，随着经济的不断增长，人们对医疗健康的关注度越来越高，迫切期待着精准高效的医疗手段。由于癌症疾病的难以预防和死亡比例的日益增高，癌症治疗的新型医疗手段更是成为重点发展方向。医疗资源的匮乏和人口老龄化等问题，也使得癌症治疗纳米机器人的发展受到社会各方面的重视，深度研发癌症治疗纳米机器人成为科学技术发展的主流[15]。目前，癌症治疗纳米机器人的研究仍处于研发初级阶段，还未能在临床实现。在未来，随着计算机科学、材料學、机器人学和医学等学科的发展和学科交叉的融合进步，癌症治疗纳米机器人必然拥有广阔的前景和发展空间。各国国家政府也会继续大力支持癌症治疗纳米机器人的研发，推进该新型产业发展。科研人员持之以恒、不断创新，势必会在关键技术方面取得突破，早日解决难题，真正提高癌症治疗纳米机器人的安全稳定性，应用于临床医学。

对此，为促进癌症治疗纳米机器人的操作功能和发展，可以从以下几点寻求突破[16]：一是优化癌症治疗纳米机器人的结构设计，增加灵活性使其能够更加适应人体内环境;二是寻求更具安全特性的纳米材料，去除纳米材料的潜在毒性，或用生物降解材料;三是对机器人的控制系统进行更深入的开发，能够精确实时控制癌症治疗纳米机器人的探测，减少延迟，提高信号处理速度;四是对癌症治疗纳米机器人的供能装置进行优化，提高效率同时要降低在人体内的不适感，提高能量运输的稳定性等。相信通过各方面技术的发展与完善，坚持不懈的攻克困难，癌症治疗纳米机器人最终可以广泛的应用于临床，为攻克癌症疾病提供强有力帮助。

参考文献

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[2] 张楚熙.纳米机器人的现状与发展[J].电子技术与软件工程，2018（13）： 74-75.

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[8] Thubagere A J， Li W， Johnson R F， et al. A cargo-sorting DNA robot[J]. Science， 2017， 357（6356）： eaan6558.

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[15]周陈霞，徐万和.纳米机器人的发展和趋势及其生物医学应用[J].机械，2011，38（4）：1-5.

[16]王玉山，孙雪.浅谈纳米机器人的特点分析和应用现状以及发展前景[J].制造业自动化，2016，38（5）：147-149.