美國亞利桑那州立大學(ASU)的科學家與中國科學院國家奈米科學中心(NCNST)的研究人員們共同合作,展開一種稱為核酸適體(Aptamer)的生物標靶機制研究。他們研發出一種可編程的DNA奈米機器人,據稱可植入身體的腫瘤中,然後阻斷血液供應,從而影響腫瘤的生長和轉移。

適體是一種僅與特定分子靶標結合的DNA或RNA序列,能夠附著於蛋白質、核酸、細胞、組織,甚至是生物體上。亞利桑那州立大學的研究人員們以生物工程設計了標靶一種稱為核仁素(nucleolin)蛋白質的適體。

血管表面內部的細胞稱為內皮細胞。核仁素僅能以腫瘤中的內皮細胞大量製備。在健康的細胞表面並不會發現核仁素。(請記住:這一點很重要!)

研究人員製作的包括DNA中包括核仁素標靶適體,並將DNA形成於60×90nm的薄片上。每張薄片都附著平均4個稱為凝血酶(凝血劑)的酶分子。

DNA鏈可加以折疊。過去二十年來,研究人員已經學會如何在特定條件下編程DNA、折疊並展開成各種形狀,這個過程就是所謂的「DNA摺紙」。亞利桑那州立大學已經引領DNA摺紙技術很長一段時間了。

20180226_DNA_NT01P1 DNA薄片結構可捲曲為管狀,包裹凝血酶分子帶入體內

這種DNA摺紙技術就是DNA奈米機器人的基礎。研究人員們為其DNA薄片進行編程,將其捲曲成圍繞凝血酶周圍的管道,然後將DNA機器人植入患有癌症腫瘤的實驗鼠體內。

DNA奈米機器人於是在老鼠的血液中穿梭,直到最後到達腫瘤的血管內。這些DNA機器人一旦發現腫瘤中的核仁素即加以附著,在展開過程中將凝血酶傳送至腫瘤形成堵塞,並在腫瘤供血血管中形成血栓。不過,如果不慎殺死的不是癌細胞,結果是相當殘忍的。

一般來說,醫生並不希望凝血劑在患者的系統中自由循環,因為這可能發生血塊導致中風的風險。然而,由於在健康細胞中無法找到核仁素,因此,這種方法必須十分安全,因為人體內沒有足夠的核仁素能夠觸發足夠的DNA機器人釋放充份的凝血劑,而可能會在腫瘤內部以外的任何地方引起問題。

20180226_DNA_NT01P2 搭載凝血酶的DNA薄片

研究人員在實驗中採用了8隻白老鼠,在經過24小時的治療後都產生了腫瘤組織損傷,DNA奈米機器人也在同一時間內清除並自體內分解。兩天之後出現了晚期血栓(血塊),而在三天後則觀察到所有腫瘤血管中的血栓形成。其中3隻老鼠顯示腫瘤完全消退。此外,研究人員也指出,這並不會對於健康組織的脈管系統造成影響。

亞利桑那州立大學生物設計研究所分子設計和仿生學中心主任顏灝以及分子科學系教授Milton Glick指出,「這種技術可用於多種類型的癌症,因為所有的實體腫瘤供血血管基本上都是相同的。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Scientists use DNA to create cancer-seeking nanorobots that destroy tumors,by Brian Santo, contributing writer)