用于肿瘤治疗的智能型DNA纳米机器人,用纳米机器人将药物精准输送至肿瘤细胞

2019年2月27日,科技部基础研究管理中心召开“2018年度中国科学十大进展专家解读会”,发布了2018年度中国科学十大进展。“用于肿瘤治疗的智能型DNA纳米机器人”成功入选。

近日,国家纳米科学中心研究员聂广军、丁宝全,中国科学院院士赵宇亮课题组与美国亚利桑那州立大学颜灏课题组合作,在医学纳米机器人肿瘤治疗研究中取得进展。相关研究成果以
A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a
molecular trigger in vivo
为题,发表在 Nature Biotechnology 上。

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利用纳米医学机器人实现对人类重大疾病的精准诊断和治疗是科学家们追逐的一个伟大的梦想。国家纳米科学中心聂广军、丁宝全和赵宇亮研究组与美国亚利桑那州立大学颜灏研究组等合作,在活体内可定点输运药物的纳米机器人研究方面取得突破,实现了纳米机器人在活体(小鼠和猪)血管内稳定工作并高效完成定点药物输运功能。研究人员基于DNA纳米技术构建了自动化DNA机器人,在机器人内装载了凝血蛋白酶——凝血酶。该纳米机器人通过特异性DNA适配体功能化,可以与特异表达在肿瘤相关内皮细胞上的核仁素结合,精确靶向定位肿瘤血管内皮细胞;并作为响应性的分子开关,打开DNA纳米机器人,在肿瘤位点释放凝血酶,激活其凝血功能,诱导肿瘤血管栓塞和肿瘤组织坏死。这种创新方法的治疗效果在乳腺癌、黑色素瘤、卵巢癌及原发肺癌等多种肿瘤中都得到了验证。并且小鼠和Bama小型猪实验显示,这种纳米机器人具有良好的安全性和免疫惰性。上述研究表明,DNA纳米机器人代表了未来人类精准药物设计的全新模式,为恶性肿瘤等疾病的治疗提供了全新的智能化策略。Nature
Reviews Cancer、Nature
Biotechnology等评论认为该工作为里程碑式的工作;美国The
Scientist期刊将该工作与同性繁殖、液体活检、人工智能一起,评选为2018年度世界四大技术进步。

恶性肿瘤是危害人类健康的一大杀手。肿瘤的血管系统与肿瘤的生长、侵袭及转移密切相关。通过阻塞肿瘤血管的营养和氧气输运从而“饿死”肿瘤的治疗思路目前已广泛应用于肝癌等恶性肿瘤的物理介入治疗。但是,该方法在疗效和安全性方面仍面临较大局限性。血液中的凝血酶是机体凝血系统的一种关键酶,能够快速高效地诱导血栓形成。如果将凝血酶作为特定的“货物”装载在纳米机器内部,靶向运输并精确释放至肿瘤血管,诱导凝血产生血栓,就可以通过栓塞肿瘤达到高效抑制肿瘤生长和转移的目的。

无论国籍、种族,几乎所有人都谈癌色变。尽管某些癌症已经不再是不治之症,但毕竟是少数。根据2018年2月国家癌症中心发布的最新一期全国癌症统计数据,我国平均每天超过1万人被确诊为癌症,每分钟就有7个人被确诊为癌症。其中,肺癌和乳腺癌分别位居男女性发病的首位。

该成果受到了国家重点研发计划“纳米科技”重点专项的支持,成果主要完成人聂广军、赵宇亮分别为“纳米科技”重点专项项目负责人和总体专家组副组长。同时,“通过叠层设计使有机太阳能电池光电转化效率突破17%”、“研制出基于自组装亚微米结构的高效钙钛矿发光二极管”等另5项纳米科技领域成果入围2018年度中国科学十大进展30项候选名单。

根据该设想,国家纳米中心团队发展了基于超分子自组装的DNA纳米机器人,用于活体运输凝血酶进行肿瘤治疗。利用DNA折纸术构建智能化的分子机器,通过自组装将“货物”凝血酶包裹在分子机器的内部空腔,使其与外界底物隔绝而处于非活性状态;分子机器两端装载有“雷达”核酸适配体,提供靶向识别和定位功能;当DNA纳米机器人到达肿瘤血管时,纳米机器上的“锁”识别特异标志物而发生结构变化,使得“锁”从闭合状态变为开启状态,整个纳米机器由管状结构打开变为平面结构,暴露出内部装载的“货物”进而实现诱导栓塞的功能。

攻克癌症长久以来都是科学家关注的重点之一。相比目前广泛使用的放化疗治疗方法,他们希望能够更加精准地对癌症进行治疗杀死癌细胞的同时,尽可能少地误杀正常细胞。用纳米机器人将药物精准输送至肿瘤细胞,定向杀死癌细胞,成为科学家梦寐以求的理想之一。

在细胞和活体水平的验证结果显示,这种DNA纳米机器人可以实现凝血酶在活体内的精准运输和定点栓塞,对包括乳腺原位肿瘤、黑色素瘤、卵巢皮下移植瘤和原发肺部肿瘤在内的多种肿瘤都有良好的治疗效果。由于DNA纳米机器人可以实现精确的肿瘤定位,整个体系有效用量很低;同时,DNA纳米机器人还有极好的识别响应功能,仅在肿瘤血管标志物存在时才启动活化凝血酶。这些性质保证了装载有凝血酶的DNA纳米机器人具有极高的特异性,且在小鼠模型和迷你猪模型上都表现出良好的安全性。

2018年初,Nature Biotechnology刊登了一篇题为A DNA nanorobot functions as
a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in
vivo的研究论文,报道了一种用DNA制成的纳米机器人可以用于携带凝血酶精准定位到肿瘤细胞,能有效杀死肿瘤细胞,并且在多种小鼠肿瘤模型中取得了较好结果,也没有引起明显的免疫反应。该研究由国家纳米科学中心赵宇亮、丁宝全、聂广军联合美国亚利桑那州立大学颜灏共同完成。

该研究有望为肿瘤血供阻断治疗策略提供一种高效低毒的药物新剂型。以该DNA纳米机器人强大的活体运输和响应识别功能,作为智能化的给药平台,进行多种药物的联合高效递送,有望对传统难以成药的物质(如毒素、蛇毒蛋白等)实现有效包载和智能递送,进而推动全新抗肿瘤药物的开发,在纳米药物领域具有广阔的应用前景。

直达病灶的纳米机器人

国家纳米中心李素萍、蒋乔、刘少利、张银龙为论文的共同第一作者。Nature
Biotechnology
同期以 Smart Cancer Therapy with DNA Origami
为题对该研究进行了专门评述,认为“中国科学家尝试利用医学纳米机器人治疗肿瘤等恶性疾病,这种新颖的纳米机器人将改变人们对药物输运的传统观念,为更有效的肿瘤治疗提供全新策略”。此外,Nature
Reviews Cancer
Science Translational Medicine
也对该研究进行了评述及推荐。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部纳米重点专项和重点研发计划、中科院前沿科学重点研究计划、北京市科委科技计划、国家杰出青年基金等的资助。

早在1959年,诺贝尔物理学奖得主理查德费曼就提出了纳米机器人的概念。此后,各国科学家进行了诸多关于纳米机器人的研究。

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2016年,加拿大蒙特利尔工学院领导研制出一款纳米机器人,能够在人体血管内运行并可以将抗癌药物精准地递送到肿瘤细胞中。资料显示,这款纳米机器人实际上可以看作一群细菌,每个细菌都有鞭毛并且可以携带药物自我推进。由于这些特殊的细菌携带了氧气浓度测量感应器,所以能够通过感应低氧环境进入肿瘤内部。

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国家纳米科学中心研究员丁宝全在采访中告诉《中国科学报》记者,上述研究是一类具有磁航行为的趋磁细菌(magnetotactic
bacteria),能够用来运输载药的纳米脂质体进入肿瘤的低氧区域。文中使用的细菌MC-1菌株细胞内具有磁性氧化铁纳米晶链,两种导航模式共同作用下将会沿着局域磁场的磁力线和低氧浓度运动。利用这样的细菌,将富含载药纳米脂质体的细菌直接注射在瘤旁区域并进行磁力导航,超过55%
的MC-1细菌渗透进入荷瘤鼠的移植瘤低氧区域。

DNA纳米机器人的设计和工作原理

而我们的纳米机器人体系是完全利用自组装方法构建的、完全人工设计的纳米体系,可以靶向识别肿瘤血管,由血管表面特异的分子标志物激活,从而暴露内部的药物,局部发挥疗效。丁宝全说。

切断血液供应,饿死肿瘤

通过诱导血液栓塞,切断血液供应,进而饿死肿瘤的工作,最早由Philip E.
Thorpe团队提出,1997年《科学》曾经进行报道。

国家纳米科学中心研究员聂广军介绍说:不过,他们利用的是一种可以特异性诱导肿瘤血管栓塞的融合蛋白,在安全性以及靶向性方面都有待提高。

首次报道之后,栓塞疗法沉寂了很长时间,直到2009年,Blood上首次报道该方法被应用于临床病人,8例病人中有5例取得了比较好的效果。

但由于栓塞药物是一种融合蛋白,靶向性并不理想,所以副作用较大。此后的相关报道都是对该方法靶向性和安全性方面的优化,但是一直没有实质性的突破。借助纳米机器人将凝血酶药物精准输送至肿瘤组织的概念,是由我们团队首次提出。这标志着该领域在技术上、治疗思路上新的突破,使栓塞方法治疗肿瘤这个领域重新在科研界活跃起来。聂广军解释说。

鉴于凝血酶已经是一种成熟的临床应用的局部止血药,以及DNA折纸结构构建技术的成熟,2012年,研究团队开展携带凝血酶的DNA纳米机器人研究。他们成功实现了纳米机器的精准结构构建,包括DNA折纸结构设计、蛋白的DNA修饰偶联与定量、响应性开启DNA锁扣结构的设计;不断优化,实现肿瘤的精准靶向;在哺乳动物体内,实现纳米机器人的一次开关,产生强烈的肿瘤治疗效果。

从结构上看,该纳米机器人可以说是为凝血酶的特性量身定做:针对高促凝活性,递送体系首先需要包裹凝血酶,在运输途中隔绝底物,并需要具有精准靶向能力将包裹的凝血酶递送至肿瘤血管;然后是利用肿瘤血管特异信号来实现响应性的开启纳米机器,暴露活化凝血酶;最后的,也是重要的,使得凝血酶定点诱导肿瘤血管凝血坏死而治疗肿瘤。

最终完成的DNA纳米机器人外表呈现管状,将凝血酶分子包裹在管内,且管径小于血液中凝血酶作用的底物,从而保证运输途中的安全性。其两端延伸出核酸适配体AS1411与核仁素蛋白结合,用于实现肿瘤血管内皮的靶向定位。DNA纳米管由锁扣DNA链卷曲而成,而锁扣DNA链与核仁素蛋白特异性结合,实现其在肿瘤血管内皮响应性开启,暴露凝血酶,在肿瘤局部产生凝血反应,最终实现肿瘤凝血坏死而治疗肿瘤。采用AS1411适配体作为分子开关,该成分已经作为治疗肿瘤的一种靶向药物应用于二期临床,这一点使得纳米机器人距离临床应用更近了一步。

积极推动转化,力争早日用于临床

为了验证DNA纳米机器人系统在活体的作用效果,研究人员在小鼠乳腺癌、黑色素瘤以及人卵巢癌模型中进行了检测。研究发现,相比对照组,纳米机器人能在肿瘤血管内引起大量血块,但是不会引发其他正常部位的异常,最终缩小了肿瘤体积并使小鼠有更高的存活率。

据介绍,在活体内,该DNA纳米机器人实现了治疗效应的放大。因为每一个肿瘤血管供应着成千上万的肿瘤细胞生长,堵塞一支血管,便会杀伤血管周边无数的癌细胞,这是其他治疗药物无法达到的效果。

该系统理论上对任何已经血管化的肿瘤或者转移灶都会有治疗作用。血栓一旦形成,堵塞血管,凝结的血块就会滞留在血管内,造成肿瘤坏死,然后一起被机体清除。

作为外来物,纳米机器人有可能引发一些免疫反应。对相关免疫性进行检测后发现,纳米机器人并没有在小鼠体内造成明显的免疫反应,在猪体内也没有在主要器官中检测到凝血现象。这充分表明了该系统具有一定的安全性。

研究团队表示,如果对于自身就具有血栓疾病的病人,有可能会造成体内其他脏器形成血栓的风险,他们后续还将开展更为仔细的研究。

据介绍,在过去的半年里,研究团队针对纳米机器人批量生产困难的问题,进行了相应的技术摸索。目前已经能够数十倍地提升产量和产率,使规模化生产成为可能。

同时,他们也在小鼠模型水平进行了长期安全性评价,观察时间延长至用药后两个月到半年,评价是否有长期累积的毒性。此外,团队也在利用其他动物模型,进行了不同有效剂量对比实验,以期寻找最佳的治疗窗口。

凭借在精准性药物递送和时空间药物的可控释放等方面的突出优势,DNA纳米机器人引起了业界的广泛关注,具备很强的临床应用前景。研究团队正在努力推进其进入临床试验,期待不久的将来能为肿瘤病患服务。

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