近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院蔡林濤團(tuán)隊(duì)在微納生物機(jī)器人治療腫瘤研究中取得突破性進(jìn)展，他設(shè)計(jì)了一種由順序性磁驅(qū)動和光觸發(fā)的 AI 微納機(jī)器人，并將其用于實(shí)現(xiàn)主動靶向的癌癥治療。

研究表明，該 AI 微納生物機(jī)器人通過內(nèi)乏氧驅(qū)動和外磁場驅(qū)動實(shí)現(xiàn)自主靶向游動、以及磁 / 光序貫操控，在小鼠體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了磁控導(dǎo)航、腫瘤穿透和光熱消融。

圖 | 蔡林濤發(fā)表關(guān)于 AI 微納生物機(jī)器人植入體內(nèi)相關(guān)研究

如果該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于人體，可以簡單的理解為，在腫瘤患者體內(nèi)植入 AI 微納生物機(jī)器人，它可以自動游向腫瘤病灶部位，并將腫瘤消除，隨后機(jī)器人本身可以被人體吸收，不會對健康造成任何損害。

吞下一個(gè)微納生物機(jī)器人，它可以像醫(yī)生一樣在人體內(nèi) “手術(shù)” 切割病灶，這樣的想法在醫(yī)學(xué)界被稱為 “吞下外科醫(yī)生” 幻想。是由諾貝爾物理學(xué)家查德?費(fèi)曼在 1959 年率先提出的，他曾預(yù)言 “人類未來可以吞下外科醫(yī)生”。

如今，隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人造微納機(jī)器人的研究得以深入，腦損傷、惡性腫瘤等醫(yī)學(xué)難題在微納機(jī)器人領(lǐng)域看到了希望，查德?費(fèi)曼的美好幻想似乎真的要實(shí)現(xiàn)了。

采用可降解微生物，把 AI 微納機(jī)器人打造成鋼鐵俠

2019 世界機(jī)器人大會上，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研究員劉連慶提出，微納機(jī)器人的應(yīng)用瓶頸是其材料的生物兼容性。

蔡林濤團(tuán)隊(duì)在既往研究之上，選用海洋來源的趨磁細(xì)菌（AMB-1）作為模板，利用邁克爾加成反應(yīng)將納米吲哚菁綠（Indocyanine green nanoparticles）光敏劑負(fù)載到細(xì)菌表面，構(gòu)建了 AI 微納生物機(jī)器人（AI microrobot），再通過磁場操控和光學(xué)觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)腫瘤穿透和光熱消融。

這里的 “AI” 指的是趨磁細(xì)菌（AMB-1）和吲哚菁綠納米顆粒（Indocyanine green nanoparticles），而不是傳統(tǒng)意義上的人工智能。

趨磁螺菌作為可降解的一種微生物，安全性很高。同時(shí)，不同于目前的微納機(jī)器人通過血液循環(huán)的被動靶向治療，趨磁螺菌可以自主 “游向” 腫瘤部位。

據(jù)蔡林濤介紹，趨磁螺菌主要通過兩種方式完成主動靶向游動，一方面是受內(nèi)部乏氧驅(qū)動效應(yīng)，對缺氧的腫瘤部分有靶向；另一方面，受外部磁場調(diào)控，會自主流向腫瘤部位。

這個(gè)過程，就是為微納機(jī)器人裝上一個(gè)能源動力系統(tǒng)，提升微納機(jī)器人到達(dá)病灶部位的精準(zhǔn)度。

以趨磁螺菌為基礎(chǔ)，附加上由吲哚菁綠納米顆粒構(gòu)成的光敏劑，用激光刺激光敏劑產(chǎn)生局部高溫，從而達(dá)到消除腫瘤細(xì)胞的目的。

為了確保過程中不會對正常組織細(xì)胞造成影響，蔡林濤將溫度控制在 50-52℃間，這個(gè)溫度區(qū)間腫瘤細(xì)胞的耐受能力差，幾分鐘就會被殺死。

吲哚菁綠還可作為熒光顯像劑，又結(jié)合細(xì)菌內(nèi)磁小體的核磁共振成像完成體內(nèi)的雙重可視化追蹤。

蔡林濤認(rèn)為，整個(gè)研究最創(chuàng)新也是最核心的地方在于，在原來被動體系的基礎(chǔ)上加入了一個(gè)能源體系，類似于把微納機(jī)器人變成鋼鐵俠，可以在病患體內(nèi)自主 “打怪”。

圖 | AI 微納生物機(jī)器人單一 / 群體控制

加載能源的 AI 微納機(jī)器人可穿透多種復(fù)雜生物屏障

目前，使用微納機(jī)器人技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的嘗試有很多，但如何克服復(fù)雜的生物內(nèi)部結(jié)構(gòu)是所有研究繞不開的難題。

以穿透屏障為例，蔡林濤針對三種不同的情況進(jìn)行了詳細(xì)的解釋。

物理屏障：在實(shí)際臨床腫瘤治療中，腫瘤周圍存在著 “基質(zhì)屏障”，這種像外殼一樣的細(xì)胞層具有高致密性，導(dǎo)致常規(guī)納米機(jī)器人很難穿透進(jìn)腫瘤內(nèi)部。

蔡林濤表示，通過磁場驅(qū)動的 AI 微納機(jī)器人能夠有效地穿透屏障，過程中也不會導(dǎo)致微納機(jī)器人變形。

生物屏障：在常規(guī)藥物治療中，藥物是通過分子蛋白通道進(jìn)去到病灶區(qū)域，但惡性腫瘤如腦膠質(zhì)瘤這種特殊情況具有對藥物的排斥性，這樣就會導(dǎo)致藥物無法輸送。AI 微納機(jī)器人通過外部磁場的拉動同樣能夠解決這樣的問題。同時(shí)，AI 微納機(jī)器人可以針對復(fù)雜環(huán)境畫出路徑，運(yùn)動幅度 360° 不受限。

圖 | AI 微納生物機(jī)器人精準(zhǔn)操控路徑

梯度屏障：常規(guī)藥物治療還受循環(huán)系統(tǒng)影響，無法抵達(dá)循環(huán)較差的病灶區(qū)。AI 微納機(jī)器人可以通過精確定位，完成對藥物的輸送。

蔡林濤表示，“AI 微納機(jī)器人不是靠滲透、擴(kuò)散進(jìn)去病灶區(qū)，而是通過主動靶向的方式。有了外在磁場能源的加持，AI 微納機(jī)器人可以突破很多生理屏障，到任何想要去的地方?！?/p>

增強(qiáng)微納機(jī)器人生物內(nèi)驅(qū)動，是下一代藥遞送技術(shù)的核心

蔡林濤認(rèn)為，現(xiàn)在微納機(jī)器人以機(jī)械力或電力驅(qū)動為主，未來微納機(jī)器人的驅(qū)動應(yīng)該是生物化的，這是下一代藥遞送技術(shù)的核心。

生物內(nèi)驅(qū)動的微納機(jī)器人能成為未來的關(guān)鍵取決于以下三點(diǎn)：

生物安全性高。生物本身融合屬性能讓其在完成工作后自動降解，不會在體內(nèi)產(chǎn)生和殘留有害物質(zhì)、以及造成額外副作用。

定點(diǎn)投遞精準(zhǔn)度。根據(jù)生物本身的特殊性，可以讓其自主游向乏氧區(qū)域，進(jìn)而保障微納機(jī)器人能夠精準(zhǔn)達(dá)到病灶，不會到達(dá)身體不需要治療的區(qū)域。

驅(qū)動控制更高效。點(diǎn)對點(diǎn)激光觸發(fā)局部高溫非常考驗(yàn)精細(xì)化操作，如果熱量彌散會導(dǎo)致傷害身體健康細(xì)胞，定點(diǎn)投遞精準(zhǔn)的同時(shí)，還可保證后期激光進(jìn)行高效的定點(diǎn)釋放。

目前，蔡林濤團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始研究通過生物內(nèi)驅(qū)動增強(qiáng)微納生物機(jī)器人的功效。除趨磁細(xì)菌外，團(tuán)隊(duì)也在嘗試用酵母菌、人體益生菌等物質(zhì)，同時(shí)通過酶催化體系和化學(xué)催化體系，完成微納機(jī)器人的內(nèi)驅(qū)動，讓藥物顆粒穿過復(fù)雜的人體屏障直達(dá)病灶。

從人體自身尋找微納機(jī)器人的內(nèi)生能源在安全性上更進(jìn)一步，通過酶催化形成一個(gè)氣體模式，這個(gè)氣體就像推進(jìn)器一樣，帶著微納機(jī)器人去制定區(qū)域。

“生物內(nèi)驅(qū)動的微納機(jī)器人就如同一個(gè)帶有 GPS 導(dǎo)航的深水炸彈，只會去指定的地方爆炸，不會對其他地方造成損害?！?蔡林濤說。

他坦言，通過生物內(nèi)驅(qū)動的 AI 微納機(jī)器人有望在未來 3-5 年內(nèi)完成臨床試驗(yàn)，隨后會被推廣使用在腫瘤治療當(dāng)中。

納米醫(yī)療的 “魔幻” 未來

與 “吞下外科醫(yī)生” 的幻想相同，蔡林濤對微納機(jī)器人在醫(yī)療上的應(yīng)用也有著 “硬核” 幻想。

蔡林濤直言，研究納米醫(yī)療的終極目標(biāo)是要打造一個(gè) “健康倉” 的概念，通過光學(xué)和磁場控制，讓病人無需手術(shù)就能把病治好。

傳統(tǒng)的分子靶點(diǎn)治療腫瘤、心血管等疾病的方式，相當(dāng)于強(qiáng)制性破壞身體內(nèi)的內(nèi)生環(huán)境，會造成如炎癥、感染等副作用。

健康倉的治療理念是通過內(nèi)在內(nèi)生生物和外在磁場和激光控制，其能根據(jù)人體實(shí)際情況進(jìn)行全自動化的針對性治療。

“人只需要躺在健康倉里，不會有任何疼痛感知，甚至只是睡一覺，你的病就被治好了?！?蔡林濤說。

想要實(shí)現(xiàn)這樣的終極目標(biāo)，除了理論基礎(chǔ)，也離不開多學(xué)科的知識融合。蔡林濤認(rèn)為未來的醫(yī)療技術(shù)是一個(gè)綜合學(xué)科的整合過程，如果想要實(shí)現(xiàn)理想的健康倉，需要生物人才、材料學(xué)人才、化學(xué)人才、物理人才等等專業(yè)的技術(shù)人員一起，共同討論出一個(gè)可行的方案。

自 2008 年以來，蔡林濤加入中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院校研究納米醫(yī)療技術(shù)至今已經(jīng) 12 年。他所研究的 “以癌治癌” 同源靶向仿生納米載藥體系、光敏 GPS 癌細(xì)胞追蹤系統(tǒng)等納米技術(shù)治療腫瘤方案，被 ACS nano、Advanced Function Materials、Advanced Science 等學(xué)術(shù)期刊轉(zhuǎn)載。

研究之路任重而道遠(yuǎn)，但蔡林濤團(tuán)隊(duì)對未來納米醫(yī)療的發(fā)展很有信心。他預(yù)言，“納米醫(yī)療雖然研究的是一個(gè)微觀的體系，但未來的納米醫(yī)療研究會像 Google X 實(shí)驗(yàn)室一樣，把很多學(xué)科交叉在一起，做一些以前不敢想象的事情。”

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原文標(biāo)題：吞下“外科醫(yī)生”？中科院研發(fā)微納生物機(jī)器人，自主游向腫瘤病灶，實(shí)現(xiàn)主動靶向癌癥治療

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