奈米機器人的構造。綠色分子為以核仁素為對象的核酸適體,紫色分子為凝血酶。 (來源: Jason Drees, ASU)

美國亞利桑那州立大學 ( Arizona State University,ASU ) 與中國科學院研究人員合作開發了一種奈米機器人,能在腫瘤內部引起血栓,藉由阻礙氧氣與養分的供應,成功縮小小鼠體內腫瘤體積。

摺紙藝術在DNA上的應用

研究人員受日本摺紙藝術 ( 折り紙 ) 的啟發,以 M13 噬菌體 ( M13 bacteriophage ) 的環狀單鍊 DNA 編織、摺疊為 90 乘以 60 平方奈米,高度約 2 奈米的平板,並捲曲為中空管狀,其中包裹著能引發凝血反應的凝血酶 ( thrombin )。

此作法的優點,在於 DNA 分子有依據鹼基配對規則而自我構型的傾向。只要搭配適當的鹼基順序便可自動化大量生產,並組成任意形狀,甚至形體。

以核仁素為靶

為能區別癌症細胞與一般正常細胞,研究人員在其外側掛載針對核仁素 ( nucleolin ) 的核酸適體。與一般常見的蛋白質抗體 ( antibody ) 不同,適體 ( aptamer ) 是一段亦能辨識特定分子,並與之結合的 RNA 或 DNA 片段。

此處之所以選擇核仁素為目標,在於腫瘤為快速生長所需,而誘導新生的血管內壁上,常有核仁素大量表現。奈米機器人於是可利用此一現象,鑑別腫瘤與正常組織周遭的血管。

當奈米機器人被注入血液循環中並流經腫瘤周遭時,外殼上的核酸適體與血管內壁大量表現的核仁素結合,奈米機器人於是定錨並恢復為平面,暴露出其中裹覆的凝血酶,引發局部血管內凝血,形成血栓。

腫瘤壞死萎縮

研究人員接著在八隻被接種人類乳癌細胞的小鼠上試驗。奈米機器人由小鼠尾巴注入後逐漸向腫瘤處聚攏。

24 小時後,血栓開始形成,部分腫瘤出現壞死。與此同時,奈米機器人亦因胞噬作用 ( phagocytosis ) 由循環中清除。

72 小時後,血栓與腫瘤壞死達到高峰。腫瘤體積明顯縮小,部分小鼠的腫瘤甚至完全消失。

研究人員另在如黑色素細胞瘤 ( melanoma ) 等,血管新生較不明顯的癌症種類上試驗,亦有類似成效。除此之外,該奈米機器人亦可改裝並作為如化學治療中的精密投藥系統,以增進化療藥物的抗癌效果。

 

參考資料:

  1. Li Suping, et al. (2018, February). A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo. Nature Biotechnology.
  2. Koutsioumpa M & Papadimitriou E. (2014, May 9). Cell surface nucleolin as a target for anti-cancer therapies. Recent Pat Anticancer Drug Discov.
  3. Gohd C. (2018, February 12). Robots Smaller Than a Human Hair Can Starve and Shrink Cancerous Tumors. Futurism.
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