當科幻成為現實:微型機器人精準克癌

編譯 徐寧

抗癌藥還是不夠智能

《神奇旅程》向我們展示了微型機器人進入人體治療的可能性

納米機器人就像只殺傷癌細胞的狙擊步槍

1966 年上映的科幻電影《神奇旅程》向觀眾們展示了一種“微型機器人”：五名科學家被縮小后，乘坐一艘被縮小的潛艇順著血管進入一名科學家的大腦，他們的任務是清除掉這位科學家大腦中的血凝塊。這個故事情節在20 世紀看來遙不可及，但進入21 世紀后，微型治療機器人漸漸離我們不再遙遠……

提起癌癥，我們并不是沒有抗癌藥，而是這些藥物目前還存在一些難以精準治療的問題：要么敵我通殺，要么無法有效到達癌細胞。

以化療藥物為例，化療藥物在殺傷癌細胞的同時，也會傷害普通細胞，可謂“殺敵一千，自損八百”。如果說抗癌藥就像敵我不分、大殺四方的核武器，那么科學家就一直在尋找只殺傷癌細胞而不傷害正常細胞的“狙擊步槍”——除了能找到癌細胞，還要能完全摧毀所有癌細胞，不給癌細胞重生的機會。然而，一些腫瘤所處的位置讓抗癌藥難以到達，即便達到，也難以穿透癌細胞進入其內部，也就難以對其進行有效殺傷。

科學家想要通過向患者血管內注入微型機器人，讓機器人攜帶藥物自己找到癌細胞并精準殺滅，醫生在給癌癥患者選擇藥物時，也能大膽選用殺傷力更強的藥物，而不用像從前那般投鼠忌器。這些微型機器人能夠自己找到腫瘤，突破血腦屏障、內臟黏膜等傳統藥物難以突破的生物屏障，并在合適的區域部署適量的藥物。

微型機器人不斷涌現

今天，微米級甚至納米級機器人層出不窮，它們能自主在細胞間質、消化道內容物等生物介質之間穿行。這些機器人有的在磁力或超聲波等外部引導的作用下移動，有的通過自帶的化學引擎驅動，有的借助細菌進行移動，還有的能搭乘某些特定的人體細胞，從而抵達特定區域。

微型機器人的大小能夠左右最終的治療效果。機器人越小，其在人體內穿行時受到的阻礙越小，通過能力就越強。因此，微型機器人的直徑一般都在0.3～2 微米的范圍內，還有一些其直徑甚至可達納米級。如果直徑太大，其大小就會接近人體細胞，從而為定位和跟蹤機器人帶來困難，并且推動它們也更加困難。

不過，與電影中微型潛艇順著血管在科學家體內任意移動的情節不同，現實情況是微型機器人只能順著血流的方向移動，逆流移動則幾乎不可能。因此，在現實中，微型機器人會首先被注入到癌細胞所在位置附近，接下來機器人只需要進行短距離移動就能抵達癌細胞。

納米機器人只能順著血流移動

滑溜溜機器人

2009 年，美國科學家費舍爾研發出了一種能夠在磁場驅動下旋轉移動的微型機器人。2018 年，他將這些機器人注射到離體的動物眼球中。為了便于追蹤這些機器人，他的團隊在機器人上加上了微型熒光納米金剛石，通過熒光成像進行追蹤。結果，機器人成功穿過動物眼球的玻璃體，進入視網膜，移動距離達到了厘米級。這個實驗證明了，微型機器人能夠在生物組織內穿行。

費舍爾實驗的微型機器人名為“光滑微推進器”，其頭部由二氧化硅微珠構成，尾部是由鐵或鎳制成的磁性螺旋結構。為了盡可能地避免機器人在生物組織中移動時被粘住，費舍爾團隊在機器人的外部添加了四氟硅烷和四氟甲烷，從而使得機器人變得十分光滑。這個靈感來自于一種食肉植物——豬籠草。有些豬籠草的捕籠內壁覆蓋著光滑的蠟質，落入捕籠的昆蟲很難在這層蠟質上長久停留，只能滑入豬籠草充滿消化酶的消化液中。

滑溜溜的磁驅動納米機器人成功在動物眼球內移動了一段距離

巧用聲光

一些納米機器人可以利用超聲波驅動，并借助激光殺傷癌細胞

在另一些方案中，科學家在研發中結合了磁場和超聲波。2021 年，中國科學院深圳先進技術研究院研究員蔡林濤領導的科研團隊，通過搭建“納米人工紅細胞”，使其攜帶血紅蛋白、氧和光敏穿透劑進成功入腫瘤內部。

人工紅細胞獨特的外形和比正常紅細胞更大的密度，使其能夠利用外部超聲波的能量移動；在人工紅細胞內部，置有能夠響應磁場的金屬內核，便于科學家操縱人工紅細胞的運動方向。一旦人工紅細胞就位，外部激光就能激活它們內部的光敏物質，從而將激光能量轉移給氧和血紅蛋白中的亞鐵離子，這兩種物質搖身一變，分別成為能夠殺傷癌細胞的單線態氧和高價鐵離子。

化學推動

納米機器人都有哪些驅動方式

微型機器人也可以通過化學引擎推動自身前進。西班牙化學家桑切斯研發出一種由化學引擎推動、用于治療膀胱癌的納米機器人。早期的化學引擎材料主要是過氧化氫。在鉑催化劑的幫助下，過氧化氫被快速分解，并產生水和氧氣氣泡，從而產生推進力。不過即便是少量過氧化氫也對細胞具有毒性，因此桑切斯轉而開始研究更安全的推進材料。他研發出的新型納米機器人由蜂窩狀的二氧化硅顆粒、微型金顆粒和脲酶制成，最大寬度僅為300 納米。膀胱中的尿素被脲酶分解為二氧化碳和氨，從而推動帶著藥劑的機器人向癌細胞移動。

搭細胞順風車

在一些天然生物屏障的阻擋下，藥物無法直接被人體吸收。例如，人體的血液與大腦之間有一種選擇性阻止各種物質由血液進入大腦的屏障，稱為“血腦屏障”，它會阻擋大分子通過。這本來是人類大腦的一種保護機制，但也阻礙了許多大分子藥物發揮藥效。為此，科學家決定尋求人體細胞的幫助。

借助嗜中性粒細胞，納米機器人可以輕松突破血腦屏障

膠質母細胞瘤是一種常見的惡性原發腦瘤，也是最難有效治療的癌癥之一，治療該疾病的藥物還面臨著血腦屏障等生物屏障，缺乏精準的送藥機制是其難以治療的重要原因之一。不過，嗜中性粒細胞（一種白細胞）不但能夠穿過血腦屏障，還能夠自主找到癌細胞。從2016 年起，哈爾濱工業大學微納米技術研究中心的賀強與吳志光團隊就開始了相關研究，終于在2021 年取得突破：他們通過嗜中性粒細胞吞噬大腸桿菌膜包裹的磁性載藥水凝膠，制成一種可以通過血腦屏障的游動微納米機器人，可有效且穩定地攜帶紫杉醇等抗癌藥物抵達膠質母細胞瘤。

自主導航尋找腫瘤

實體瘤的中心區域也是藥物最難到達的區域之一。隨著惡性腫瘤的不斷發展，對氧氣的饑渴促使惡性腫瘤外部覆蓋大量血管，而其內部則形成了一個缺氧的環境，并進一步導致腫瘤發生上皮細胞間質化，從而使得藥物更加難以穿透腫瘤。

2016 年，加拿大科學家在羅德島的一個低氧水域發現了一種同時具有趨磁性和趨低氧性的趨磁球菌。如果將這種趨磁球菌注射到人體內，就可以通過對磁場的控制讓它們靠近腫瘤。一旦它們接近腫瘤，就會朝著低氧區域（也就是腫瘤的中心區域）移動。科學家對這些細菌進行了改造，每個細菌攜帶十多個裝有藥物的脂質體，在小鼠實驗中，有半數攜帶藥物的改造細菌成功抵達了腫瘤的中心區域。

能夠主動尋找癌細胞的趨磁球菌

向細菌學習

食物進入腸道后，營養物質會通過腸壁上的血管被人體吸收，大多數藥物也是如此被人體吸收的。然而，腸道黏液會阻止許多藥物顆粒進入人體，要想越過這層障礙，科學家借鑒了幽門螺桿菌的“穿越絕招”。

在漫長的進化過程中，一些細菌學會了一些突破消化道黏液的手段。幽門螺桿菌是唯一能在人體胃部存活的細菌。它們之所以能在胃部的強酸環境中生存下來，并不是因為它們不怕胃酸。進入胃部的幽門螺桿菌大部分會被胃酸殺死，少部分會利用其尾部的螺旋鞭毛穿過黏液層，定居于胃黏膜上皮細胞表面和胃黏液底層。在胃黏液層的保護下，幽門螺桿菌能免受胃酸傷害，還能躲過人體的免疫系統。此外，幽門螺桿菌還能通過自身的脲酶分解尿素產生氨，以此中和胃酸，形成對自己有利的小環境。幽門螺桿菌的這種突破黏液的方法正是科學家夢寐以求的，未來的納米機器人也可以仿照幽門螺桿菌的絕招突破消化道黏液。

藥物研發是最復雜、最具風險和耗時最漫長的技術研究領域之一。細菌、真菌、病毒等微生物正不斷給予藥物研發科學家更多啟發。隨著藥物研發技術與微型機器人技術的不斷突破，藥癌癥治療方案已逐漸從粗放走向精細，精準克癌已成為現實……

幽門螺桿菌居住的位置十分有利于它們生存，納米機器人也可以借鑒這點