趙宇亮院士：“智能納米機(jī)器用于重大疾病治療的研究進(jìn)展”

      【編者按】2020年11月29日，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)交叉科學(xué)高端學(xué)術(shù)論壇在京召開。來(lái)自計(jì)算數(shù)學(xué)、人工智能、生物物理、人因工程、量子計(jì)算、納米生物學(xué)、地磁學(xué)、類腦科學(xué)、材料學(xué)等跨學(xué)科交叉研究領(lǐng)域的32位專家學(xué)者出席會(huì)議。與會(huì)專家一致認(rèn)為，學(xué)科交叉融合是未來(lái)科學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)，是加速科技創(chuàng)新的重要驅(qū)動(dòng)力。為進(jìn)一步推動(dòng)交叉學(xué)科繁榮發(fā)展，《中國(guó)科學(xué)基金》編輯部會(huì)同交叉科學(xué)部就本次高端學(xué)術(shù)論壇組約了“交叉科學(xué)前沿與發(fā)展”專題，特邀中國(guó)科協(xié)名譽(yù)主席韓啟德院士、吳家睿研究員、張禮和院士、潘永信院士、杜江峰院士、趙宇亮院士、陳善廣研究員（國(guó)際宇航科學(xué)院院士）、雒建斌院士等專家，分別撰寫了專題文章，以饗讀者。

       本次推送《中國(guó)科學(xué)基金》2021年第2期“交叉科學(xué)前沿與發(fā)展”專題系列文章之六，趙宇亮院士：“智能納米機(jī)器用于重大疾病治療的研究進(jìn)展”。歡迎廣大讀者轉(zhuǎn)載、推送、引用。

       智能納米機(jī)器用于重大疾病治療的研究進(jìn)展

      李素萍1,2 陸澤方1,2 聶廣軍1,2 趙宇亮1,2*

       1. 國(guó)家納米科學(xué)中心 納米生物效應(yīng)與安全性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京

       2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 納米科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京

       趙宇亮 中國(guó)科學(xué)院院士，發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士，國(guó)家納米科學(xué)中心主任。2001年率先提出納米生物安全性問(wèn)題并創(chuàng)建第一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，率先揭示了無(wú)機(jī)和碳納米材料的生物安全性規(guī)律與腫瘤納米藥物的化學(xué)生物學(xué)機(jī)制，部分研究成果已被ISO頒布為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。曾兩次獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、中國(guó)科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)、何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)、中國(guó)僑界貢獻(xiàn)獎(jiǎng)、TWAS化學(xué)獎(jiǎng)、中國(guó)毒理學(xué)杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)、全國(guó)優(yōu)秀科技工作者等。創(chuàng)建了中國(guó)藥學(xué)會(huì)“納米藥物”專業(yè)委員會(huì)、中國(guó)毒理學(xué)會(huì)“納米毒理學(xué)”專業(yè)委員會(huì)，大力推動(dòng)了納米生物學(xué)交叉前沿在我國(guó)的起步和發(fā)展。此外，在國(guó)外期間與日本同事發(fā)現(xiàn)113號(hào)新元素Nh，是元素周期表中亞洲國(guó)家發(fā)現(xiàn)的唯一的新元素。

       李素萍 國(guó)家納米科學(xué)中心研究員，博士生導(dǎo)師。國(guó)家萬(wàn)人計(jì)劃“青年拔尖”，北京市杰出青年科學(xué)基金獲得者。以第一作者或通訊作者在Nature Biotechnology、Nature Biomedical Engineering、Nano Letters、Advanced Materials等期刊發(fā)表多篇論文；獲授權(quán)發(fā)明專利7項(xiàng)（專利轉(zhuǎn)化2項(xiàng)）；主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃—培育項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目等。成果入選2018年中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展，入選美國(guó)The Scientist 2018 “Top Technical Advances”。

摘 要

       我國(guó)重大疾病的發(fā)生率和致死率居高不下，隨著老年社會(huì)程度的不斷加深，需要更強(qiáng)有力的醫(yī)藥原始創(chuàng)新動(dòng)力支撐不斷增長(zhǎng)的醫(yī)學(xué)需求。醫(yī)用納米技術(shù)作為新興的疾病預(yù)防、檢測(cè)、成像和治療技術(shù)，將是未來(lái)醫(yī)療體系的重要組成部分。目前我國(guó)在納米藥物治療重大疾?。ㄈ缒[瘤、血栓性疾病等）和藥物遞送領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究已經(jīng)處于世界前列。其中，用于疾病治療的智能納米機(jī)器作為一個(gè)新興的交叉科學(xué)，可實(shí)現(xiàn)藥物在病灶部位的精準(zhǔn)可控釋放，未來(lái)有可能成為藥物研發(fā)中的變革性力量。但是，智能納米機(jī)器在藥物智能化設(shè)計(jì)、體內(nèi)外精準(zhǔn)操控、體內(nèi)代謝行為和生物效應(yīng)評(píng)價(jià)以及臨床轉(zhuǎn)化等方面還有待進(jìn)一步的突破。需要從基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)兩個(gè)方面，為學(xué)科領(lǐng)域的進(jìn)一步快速發(fā)展和臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用創(chuàng)造條件。本文從國(guó)家戰(zhàn)略需求出發(fā)，討論了智能納米機(jī)器的設(shè)計(jì)原則與發(fā)展趨勢(shì)，根據(jù)基礎(chǔ)和應(yīng)用兩方面面臨的挑戰(zhàn)，分析了智能納米機(jī)器研究中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展方向，并提出一些建議和發(fā)展目標(biāo)，以加速我國(guó)智能納米機(jī)器藥物的研究和商業(yè)化進(jìn)程。

       關(guān)鍵詞：智能納米機(jī)器；藥物遞送；精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)；臨床轉(zhuǎn)化；交叉科學(xué)

1 醫(yī)用納米技術(shù)的戰(zhàn)略意義

       近年來(lái)我國(guó)的醫(yī)療水平不斷提升，人口壽命不斷延長(zhǎng)。2000至2015年，我國(guó)人口平均預(yù)期壽命由71.40歲上升至76.34歲，但與之伴隨的則是人口的深度老齡化，2019年，65歲及以上人口突破12%，是世界上人口老齡化速度最快的國(guó)家之一[1]。人口老齡化不僅沖擊經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)福利保障體系，同時(shí)也給醫(yī)療結(jié)構(gòu)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。1990—2017年，我國(guó)傳染病和新生兒疾病致死率大幅降低，疾病譜轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕哪X血管疾病、惡性腫瘤為代表的非傳染性疾病[2]；同時(shí)，全社會(huì)對(duì)疾病預(yù)防、檢測(cè)、成像和治療提出新的要求。然而，目前我國(guó)的重大疾病藥物和高端醫(yī)療器械高度依賴于進(jìn)口，造成嚴(yán)重的醫(yī)療負(fù)擔(dān)。特別是新型冠狀病毒全球大流行，更是將應(yīng)急反應(yīng)和傳染病防控能力，包括疫苗研發(fā)和新藥研發(fā)能力推至全球的焦點(diǎn)。2020年9月，習(xí)近平總書記在《求是》雜志發(fā)表重要文章強(qiáng)調(diào) “集中力量開展核心技術(shù)攻關(guān)，持續(xù)加大重大疫病防治經(jīng)費(fèi)投入，加快補(bǔ)齊我國(guó)在生命科學(xué)、生物技術(shù)、醫(yī)藥衛(wèi)生、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域的短板”，將生命安全和生物安全領(lǐng)域的重大科技成果提升到國(guó)之重器層面。因此，我國(guó)亟需進(jìn)一步加強(qiáng)藥物原始創(chuàng)新能力，促進(jìn)由仿制藥到原研藥的轉(zhuǎn)變，同時(shí)進(jìn)一步在關(guān)鍵醫(yī)藥創(chuàng)新領(lǐng)域加強(qiáng)原始創(chuàng)新能力，減輕國(guó)家醫(yī)療負(fù)擔(dān)，維護(hù)國(guó)家生物安全。

       在新藥研發(fā)中，除了在新機(jī)制、新靶點(diǎn)和新型藥物分子的激烈競(jìng)爭(zhēng)外，藥物遞送貫穿新藥研發(fā)的始終，成為世界各大制藥公司競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)和前沿[2]。通過(guò)前藥策略、聚乙二醇（PEG）化以及抗體藥物偶聯(lián)等方式，可以改善部分藥物的水溶性、體內(nèi)分布及代謝動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，但對(duì)于惡性腫瘤和心腦血管等復(fù)雜病理環(huán)境，需要藥物克服長(zhǎng)循環(huán)難題，跨越多道生理病理屏障，滲透至栓塞或腫瘤組織深處，發(fā)揮溶栓與血管保護(hù)、腫瘤殺傷與免疫激活等多種協(xié)同作用；而單一的對(duì)藥物分子進(jìn)行改造或修飾的策略不足以滿足此類需求。

       納米載體和/或納米藥物，作為創(chuàng)新型的藥物制劑的重要形式，本身具有獨(dú)特的器官靶向和循環(huán)性質(zhì)，通過(guò)集成創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)多種藥物的共負(fù)載、靶向遞送和可控釋放。在眾多臨床疾病中，惡性腫瘤病理微環(huán)境復(fù)雜、治療難度高，是納米藥物研究的重要內(nèi)容。自1995年第一款納米藥物—阿霉素脂質(zhì)體Doxil被FDA批準(zhǔn)以來(lái)，進(jìn)入臨床的傳統(tǒng)抗腫瘤納米藥物大體經(jīng)歷了兩個(gè)代際的發(fā)展。第一代納米藥物主要包括Doxil等以脂質(zhì)體為主要載體的納米藥物，載帶小分子化療藥物，通過(guò)腫瘤血管自身高滲透和滯留效應(yīng)（Enhanced Penetration and Retention, EPR）使納米藥物被動(dòng)富集到腫瘤組織，降低化藥的毒副作用；第二代納米藥物Abraxane和Genexol-PM等主要利用膠束、白蛋白等生物相容性好的分子作為材料合成納米載體，載帶的藥物類型除了包括化療藥物之外，還有核酸、多肽和蛋白類藥物，同時(shí)對(duì)載體表面進(jìn)行PEG修飾延長(zhǎng)血液循環(huán)時(shí)間，用于腫瘤的基因治療、免疫治療以及聯(lián)合治療等。還包括ThermoDox、BIND-014等在納米載體中引入主動(dòng)尋靶和環(huán)境響應(yīng)性分子單元，以實(shí)現(xiàn)藥物的主動(dòng)靶向和可控釋放，以及一些無(wú)機(jī)納米材料為代表的其它應(yīng)用。而近幾年興起的第三代納米藥物是智能化的時(shí)代，我們概括地稱之為智能納米機(jī)器。廣義上說(shuō)包含了臨床前研究中的外泌體（exosome）、細(xì)胞膜、細(xì)菌外膜囊泡、微顆粒等天然材料，以及DNA框架自組裝、DNA折紙等精準(zhǔn)可控載體合成技術(shù)制備的納米機(jī)器藥物[3-8]，以實(shí)現(xiàn)多種致病因素的共消除和疾病微環(huán)境的有效調(diào)控。這些具備環(huán)境響應(yīng)性、病灶主動(dòng)識(shí)別和特異性響應(yīng)特征的納米藥物已初具智能納米機(jī)器的雛形，不僅能改善傳統(tǒng)納米藥物的療效與安全性平衡的挑戰(zhàn)，同時(shí)也為包括mRNA藥物和疫苗、基因編輯、干細(xì)胞治療和個(gè)性化腫瘤疫苗等新興技術(shù)的體內(nèi)應(yīng)用奠定了廣泛的科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)，具有較強(qiáng)的臨床應(yīng)用價(jià)值和前景。

       早期納米藥物臨床實(shí)踐與當(dāng)前不斷涌現(xiàn)的智能納米機(jī)器研究都表明，以臨床需求為導(dǎo)向，研究納米藥物的精準(zhǔn)組裝、智能響應(yīng)、體內(nèi)生物學(xué)效應(yīng)、生物安全性等內(nèi)容，促進(jìn)納米藥物的臨床轉(zhuǎn)化，對(duì)于提升我國(guó)的醫(yī)療水平、維護(hù)國(guó)家生物安全具有重要意義。通過(guò)多學(xué)科深度交叉，“產(chǎn)學(xué)研醫(yī)藥”結(jié)合，醫(yī)用納米技術(shù)將為一系列“卡脖子”技術(shù)提供解決方案，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)重大技術(shù)趕超的重要機(jī)遇。

2 第三代納米藥物——醫(yī)用智能納米機(jī)器的設(shè)計(jì)原則和發(fā)展趨勢(shì)

       納米技術(shù)廣泛地滲透到疾病預(yù)防、檢測(cè)、成像、治療的方方面面，例如納米孔用于長(zhǎng)程核酸測(cè)序以早期檢測(cè)疾病相關(guān)的DNA甲基化，微流控芯片/生物條碼使用少量樣品即可檢測(cè)多個(gè)疾病標(biāo)志物，量子點(diǎn)、微囊泡和Fe3O4納米顆粒增強(qiáng)光學(xué)、超聲與核磁成像等[9-11]。在治療方面，微針貼片局部透皮給藥可以解決長(zhǎng)效緩釋問(wèn)題，同時(shí)提供了一種全新的無(wú)痛給藥與體液抽取方式，入選世界經(jīng)濟(jì)論壇和《科學(xué)美國(guó)人》共同評(píng)選出的2020年十大新興技術(shù)進(jìn)步。

       然而由于生物體內(nèi)的復(fù)雜性，藥物如何到達(dá)病灶部位并發(fā)揮預(yù)期效果是更大的挑戰(zhàn)。智能納米機(jī)器為解決這一挑戰(zhàn)提供可能：理想的納米藥物載體應(yīng)當(dāng)可以在體內(nèi)長(zhǎng)循環(huán)，自發(fā)或在引導(dǎo)下到達(dá)病灶區(qū)，精準(zhǔn)識(shí)別細(xì)胞或病原體上的疾病特異性標(biāo)志物，針對(duì)不同的病理環(huán)境釋放對(duì)應(yīng)的報(bào)告分子與藥物，我們形象的稱其為“納米機(jī)器人”。

       利用智能納米機(jī)器人治療疾病是人類長(zhǎng)久以來(lái)的美好愿望。1959年諾貝爾獎(jiǎng)得主理查德·費(fèi)曼曾暢想“吞下外科醫(yī)生”（即納米尺度的微型智能機(jī)器人）；28年后在科幻電影《驚異大奇航》中展示了人類乘坐微納機(jī)器人進(jìn)入體內(nèi)的奇幻場(chǎng)景，獲得奧斯卡最佳視覺效果獎(jiǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中，納米機(jī)器人應(yīng)當(dāng)包含四個(gè)（或更多）基礎(chǔ)模塊：靶向模塊、載藥模塊、響應(yīng)模塊和動(dòng)力模塊（圖1）。靶向模塊是納米機(jī)器的天線，可由抗體片段、多肽、核酸適配體和葉酸等小分子組成，介導(dǎo)納米載體在病灶區(qū)的主動(dòng)聚集和與靶細(xì)胞的結(jié)合。對(duì)于需要穿過(guò)多道生理病理屏障的納米機(jī)器（如治療腦部疾病和用于口服藥物遞送，需要穿過(guò)血腦屏障和腸粘膜屏障），可以修飾多個(gè)靶向配體以實(shí)現(xiàn)多級(jí)跨屏障遞送。載藥模塊是納米機(jī)器的艙室，納米載體通過(guò)主客體相互作用、親疏水相互作用、靜電吸附、物理包埋、化學(xué)偶聯(lián)和配位交聯(lián)等方式將貨物分子載帶至顆粒內(nèi)部或表面，通過(guò)富集藥物的方式，增加藥物療效同時(shí)減少毒副作用。響應(yīng)模塊是納米機(jī)器的CPU，針對(duì)疾病相關(guān)特異性升高的生物標(biāo)志物，疾病微環(huán)境中酸/堿、氧化/還原、酶、乏氧、血流剪切力等理化特征，外部施加的光、聲、熱、電、磁信號(hào)，以及內(nèi)部裝載貨物引起的酶、活性氧、氫離子和特定序列核酸濃度的變化，通過(guò)一系列分子鎖與邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)納米載體變構(gòu)和貨物的可控可逆釋放。動(dòng)力模塊是納米機(jī)器的能源，可以將外界施加的光能、聲能、磁能和體內(nèi)的生物能轉(zhuǎn)化為納米載體定向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，在目標(biāo)區(qū)域克服血液流動(dòng)對(duì)納米載體的沖擊，增加載體在靜止細(xì)胞間液或致密胞外基質(zhì)中對(duì)病灶深處的滲透。

圖1 智能納米機(jī)器人的設(shè)計(jì)構(gòu)想

       由于納米機(jī)器人的復(fù)雜性與前瞻性，在臨床試驗(yàn)中尚未有納米機(jī)器人成功應(yīng)用的報(bào)道。在臨床前研究中，納米機(jī)器人藥物的設(shè)計(jì)可分為三類：（1） 自下而上的分子自組裝，根據(jù)病灶微環(huán)境特性設(shè)計(jì)生物響應(yīng)性載體；（2） 自上而下的生物信息利用，直接使用或功能改造生物來(lái)源的、具有特定功能的天然納米機(jī)器，例如蛋白復(fù)合物或納米囊泡載藥；（3） 二者結(jié)合，整合合成納米載體與生物載體的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建復(fù)合載體。

       分子自組裝更側(cè)重于材料學(xué)和化學(xué)基礎(chǔ)，根據(jù)疾病與治療相關(guān)的內(nèi)外源刺激，一一對(duì)應(yīng)功能模塊，如可斷裂敏感鍵、電荷反轉(zhuǎn)、可脫離/降解殼層等，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米機(jī)器的時(shí)空控制（圖2a）。聚合物分子有大量可供反應(yīng)的活性基團(tuán)，在單體聚合前后都可以連接小分子藥物，引入敏感與靶向模塊，實(shí)現(xiàn)病灶特異性富集以及pH響應(yīng)、谷胱甘肽響應(yīng)、活性氧響應(yīng)、溫度響應(yīng)和乏氧響應(yīng)等功能，通過(guò)調(diào)節(jié)親疏水比例以形成納米結(jié)構(gòu)（圖2b）。與聚合物類似，多肽也是在分子合成過(guò)程中引入功能模塊，通過(guò)親疏水相互作用/氫鍵形成納米球或納米纖維，在血液循環(huán)中保護(hù)藥物免受血漿蛋白的干擾（圖2c）。不同的是多肽序列本身就可以發(fā)揮靶向、酸響應(yīng)、酶響應(yīng)和藥理功能，合成與修飾工藝也更加成熟，故而更適合大規(guī)模制備。除分子級(jí)別的自組裝外，力學(xué)、化學(xué)與光學(xué)刺激下的納米顆粒二次組裝與解組裝，在血栓或腫瘤部位實(shí)現(xiàn)粒徑變化，對(duì)于增加藥物在病灶區(qū)域的滯留有重要意義（圖2d）。DNA折紙納米載體的出現(xiàn)將疾病相關(guān)的蛋白標(biāo)志物水平升高納入刺激因素，部分互補(bǔ)配對(duì)的核酸適配體與其靶向蛋白或小分子結(jié)合后，與互補(bǔ)鏈解離打開分子鎖，引起折紙結(jié)構(gòu)構(gòu)象改變，暴露或釋放內(nèi)部藥物；通過(guò)精準(zhǔn)控制核酸適配體單鏈、分子鎖的數(shù)量和位置，可以設(shè)計(jì)多個(gè)標(biāo)志物的濃度限以及響應(yīng)間的邏輯關(guān)系，從而更加精確的識(shí)別靶細(xì)胞；在內(nèi)部裝載特定核酸序列，與分子鎖進(jìn)行鏈置換或鏈交聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)藥物釋放的正負(fù)反饋，釋放可控可逆更加貼近納米機(jī)器的理念，目前已初步驗(yàn)證DNA納米機(jī)器的體內(nèi)應(yīng)用，以腫瘤血管內(nèi)皮表面特異性上調(diào)的核仁素受體為靶標(biāo)和刺激，控制DNA納米機(jī)器暴露凝血酶堵塞腫瘤血管（圖2e）[8]。然而DNA納米機(jī)器在增加核酸體內(nèi)穩(wěn)定性、拓寬核酸適配體文庫(kù)、降低合成成本以及設(shè)計(jì)具有完整邏輯電路的多合一納米機(jī)器等方面還需進(jìn)一步完善。最后，對(duì)于可以響應(yīng)外部刺激，如光、聲、磁信號(hào)，報(bào)告納米機(jī)器位置或狀態(tài)的類型，其特殊意義在于圖像引導(dǎo)下的病灶局部納米機(jī)器變構(gòu)或響應(yīng)，釋放、暴露內(nèi)含物，或者利用納米材料本身的性質(zhì)產(chǎn)生聲、熱以及自由基殺傷，同時(shí)監(jiān)測(cè)治療進(jìn)程，可視化納米機(jī)器的體內(nèi)分布與代謝動(dòng)力學(xué)行為，為銜接后續(xù)療法提供更為精確的治療窗口。但是，這類納米機(jī)器需要綜合考慮外界刺激的作用類型、可及深度、分辨率以及能夠響應(yīng)這些刺激的納米材料的短期和長(zhǎng)期毒性，在疾病類型的選擇上有較高的挑戰(zhàn)。

圖2 自下而上的分子自組裝納米機(jī)器在疾病治療中的應(yīng)用

（a) 疾病微環(huán)境和生物體內(nèi)的刺激響應(yīng)要素[12]；
（b) 用于腫瘤光動(dòng)力治療的二級(jí)靶向聚合物膠束納米機(jī)器[13]；
（c) 用于抗腫瘤血管新生治療的多肽自組裝納米機(jī)器[14]；
（d) 用于溶栓治療的顆粒二次組裝納米機(jī)器[15]；
（e) 用于腫瘤血管栓塞治療的DNA納米機(jī)器[8]

       自下而上的自組裝納米機(jī)器優(yōu)勢(shì)在于明確遞送過(guò)程中的困難并針對(duì)性開展設(shè)計(jì)；伴隨著對(duì)疾病病理了解的進(jìn)一步提升，模塊化的納米機(jī)器可以快速調(diào)整合成策略并有望發(fā)展為平臺(tái)技術(shù)。但是這種問(wèn)題與解決方案一一對(duì)應(yīng)的策略也限制了藥物遞送效率；即由于每一模塊的靶向或響應(yīng)效率都不可能達(dá)到100%，引入的模塊越多，其按照設(shè)計(jì)執(zhí)行功能的可能性越低。一方面，需要加強(qiáng)對(duì)納米結(jié)構(gòu)構(gòu)效關(guān)系的基礎(chǔ)研究，取得在限制遞送效率關(guān)鍵問(wèn)題上的突破；另一方面，納米機(jī)器的設(shè)計(jì)需要向細(xì)胞生命過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)。在分子層面上，天然納米機(jī)器有在微絲、微管上運(yùn)輸物質(zhì)的馬達(dá)蛋白，在亞細(xì)胞層面上有翻譯蛋白的核糖體和運(yùn)輸化學(xué)介質(zhì)的胞外囊泡等，除了在分子生物學(xué)上理解天然納米機(jī)器的工作原理以幫助人工設(shè)計(jì)，直接利用天然納米結(jié)構(gòu)遞送藥物也是一個(gè)主要發(fā)展方向。天然蛋白質(zhì)可由真核/原核系統(tǒng)表達(dá)大規(guī)模生產(chǎn)，其疏水空腔可用于裝載小分子藥物（圖3a）。由于體內(nèi)本身存在這些蛋白，因此可能的免疫原性較低，同時(shí)利用蛋白與其配體的相互作用以及pH、ATP引起的蛋白變構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)靶向和響應(yīng)功能，是最小的醫(yī)用納米機(jī)器人[16, 17]。蛋白納米機(jī)器人由于空腔尺寸限制，對(duì)大分子藥物的包載難度較大，而內(nèi)涵體胞吐出的外泌體和由質(zhì)膜脫落的微顆粒可通過(guò)電穿孔或基因工程等方式攜載藥物。由于胞外囊泡攜帶細(xì)胞生物信息，介導(dǎo)與特定細(xì)胞類型相互作用，因此它也是良好的天然智能納米機(jī)器的代表類型（圖3b）。目前許多大型制藥企業(yè)已關(guān)注到胞外囊泡遞送核酸藥物的潛力，僅在2020年6月就發(fā)生了超過(guò)10億美元的外泌體藥物載體相關(guān)交易[18]。此外，細(xì)胞和細(xì)菌膜與其生理效應(yīng)息息相關(guān)，提取膜結(jié)構(gòu)并用合成納米顆粒作為支撐，發(fā)揮藥物遞送、免疫刺激和毒素清除的作用，為納米機(jī)器模擬細(xì)胞功能提供了新思路（圖3c）。

圖3 自上而下的天然載藥納米機(jī)器人

  (a) ATP響應(yīng)的天然蛋白質(zhì)納米機(jī)器遞送化療藥物用于腫瘤治療[17]；
（b) 以外泌體為代表的胞外囊泡納米機(jī)器用于藥物遞送；
（c) 血小板膜包裹的納米機(jī)器清除病原體[4]

       囊泡或膜包被納米機(jī)器的制備過(guò)程中，磷脂和蛋白成分的改變可能降低藥物遞送效率和藥理作用；另一方面，這類納米機(jī)器往往缺乏響應(yīng)模塊，無(wú)法實(shí)現(xiàn)藥物的可控釋放。因此，將自下而上和自上而下的兩種策略結(jié)合，可以最大化的發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。一種簡(jiǎn)單的策略是將刺激響應(yīng)性磷脂與天然膜結(jié)構(gòu)融合組裝納米機(jī)器，充分整合各自的響應(yīng)和靶向優(yōu)勢(shì)；另一種相對(duì)復(fù)雜的策略是將納米機(jī)器負(fù)載在細(xì)胞或細(xì)菌表面。當(dāng)前的納米載體的病灶特異性富集仍依賴于被動(dòng)捕獲，即通過(guò)尺寸效應(yīng)和蛋白間相互作用使納米載體停留在病灶區(qū)，少數(shù)研究利用酶促、化學(xué)以及超聲空化產(chǎn)生氣泡推進(jìn)納米載體增加在病灶部位的滲透深度，但這些策略存在運(yùn)動(dòng)方向無(wú)法控制、運(yùn)動(dòng)時(shí)間持續(xù)較短等問(wèn)題，即使利用磁場(chǎng)控制納米載體的定向移動(dòng)也受到磁場(chǎng)精度的限制。因此，納米機(jī)器尚不能像細(xì)胞一樣，利用趨向因子濃度梯度主動(dòng)向病灶區(qū)富集。將納米顆粒負(fù)載在細(xì)胞或細(xì)菌表面，由細(xì)胞/細(xì)菌提供靶向和動(dòng)力，納米顆粒提供藥物包載和靈敏響應(yīng)，如趨磁細(xì)菌沿磁感線和氧氣梯度向乏氧區(qū)域移動(dòng)攜帶納米顆粒至腫瘤核心[19]，T細(xì)胞表面納米顆粒響應(yīng)T細(xì)胞受體激活引起的細(xì)胞表面巰基水平升高， 釋放藥物增強(qiáng)或抑制免疫[20, 21]，此類研究為目前實(shí)現(xiàn)治療型納米機(jī)器人的四大功能提供了重要參考。不過(guò)這一策略也面臨負(fù)載納米顆粒對(duì)細(xì)胞/細(xì)菌的影響，微米級(jí)細(xì)胞/細(xì)菌在組織內(nèi)滲透，對(duì)納米顆粒的早期內(nèi)吞以及免疫原性等問(wèn)題。未來(lái)隨著對(duì)材料學(xué)、生物學(xué)、生理和病理學(xué)理解的進(jìn)一步深入，模擬或使用天然的感應(yīng)器與效應(yīng)器設(shè)計(jì)醫(yī)用納米機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)自上而下與自下而上的統(tǒng)一。

3 智能納米機(jī)器藥物研究的關(guān)鍵挑戰(zhàn)和瓶頸問(wèn)題

       智能納米機(jī)器是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，既有大量的多學(xué)科的基礎(chǔ)研究問(wèn)題，又有巨大的臨床需求為導(dǎo)向的技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，從基礎(chǔ)和應(yīng)用兩方面，智能納米機(jī)器的研究需要突破幾個(gè)重要的評(píng)價(jià)和挑戰(zhàn)。

3.1 醫(yī)用納米機(jī)器基礎(chǔ)研究中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

       盡管目前已有各種智能納米機(jī)器的設(shè)計(jì)，但納米機(jī)器的生物效應(yīng)和構(gòu)效關(guān)系方面的研究仍不夠深入。安全性是藥物使用的前提，因此醫(yī)用納米機(jī)器的生物效應(yīng)，尤其是毒理的研究是醫(yī)用納米材料的應(yīng)用基礎(chǔ)。在健康和疾病動(dòng)物模型水平，用多種方式標(biāo)記和檢測(cè)納米機(jī)器及其降解產(chǎn)物的吸收、分布、代謝和排泄，詳細(xì)繪制納米機(jī)器從進(jìn)入到排出活體的時(shí)空分布；在組織層面，除了傳統(tǒng)的病理切片，用質(zhì)譜流式和單細(xì)胞多組學(xué)等新興技術(shù)細(xì)致地描繪細(xì)胞類型分布以及受影響的信號(hào)通路；在細(xì)胞水平，充分研究納米機(jī)器的內(nèi)吞途徑以及對(duì)炎癥通路、程序性死亡和功能調(diào)節(jié)通路的影響。該系列問(wèn)題的深入研究，不僅是醫(yī)用納米機(jī)器臨床前研究的必要環(huán)節(jié)，也是評(píng)價(jià)環(huán)境及商品中存在納米材料生物安全性的重要方法。

       體內(nèi)外納米機(jī)器的表征手段尚不完善，即納米機(jī)器的理化性質(zhì)，包括材料、粒徑、電荷、形狀、比表面積、硬度、可變形性、表面配體修飾類型與密度對(duì)于顆粒表面蛋白冠的形成、單核吞噬細(xì)胞系統(tǒng)的清除、體內(nèi)分布代謝、病灶區(qū)的富集滯留以及靶細(xì)胞的內(nèi)吞方式的影響，這些未知的問(wèn)題阻礙了不同構(gòu)筑策略間的橫向比較和對(duì)納米機(jī)器發(fā)展路線的進(jìn)一步挖掘。因此，逐步建立一套醫(yī)用納米機(jī)器構(gòu)效關(guān)系的評(píng)價(jià)體系具有重要意義，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)并預(yù)測(cè)新設(shè)計(jì)的納米機(jī)器的遞送效率，可極大地推進(jìn)智能納米機(jī)器的發(fā)展進(jìn)程。

3.2 智能納米機(jī)器應(yīng)用研究中的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)

       智能納米機(jī)器的應(yīng)用研究是利用現(xiàn)有的材料、生物技術(shù)，針對(duì)臨床實(shí)踐中的具體需求，結(jié)合藥物作用位點(diǎn)、給藥方式，設(shè)計(jì)精巧實(shí)用和巧妙的納米載體。工業(yè)生產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室小體系合成的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量傳遞都不同，擴(kuò)大體系過(guò)程中會(huì)面臨未知的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，臨床應(yīng)用對(duì)納米藥物的均一性和批次間穩(wěn)定性提出了更高的要求，因此納米機(jī)器的設(shè)計(jì)需要在功能性和復(fù)雜性兩方面作好平衡，篩選更合適的適應(yīng)癥和患者是智能納米機(jī)器轉(zhuǎn)化過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。

4 加速智能納米藥物領(lǐng)域發(fā)展的若干思考

       目前納米藥物領(lǐng)域發(fā)表的納米遞藥相關(guān)研究成果中，50%以上屬于抗腫瘤治療領(lǐng)域。這可能是由于腫瘤的廣泛性與嚴(yán)重性、抗腫瘤藥物的龐大市場(chǎng)、臨床上抗腫瘤納米藥物的廣泛應(yīng)用、人們對(duì)腫瘤細(xì)胞及其微環(huán)境了解的深入以及相對(duì)成熟的抗腫瘤納米藥物生物學(xué)評(píng)價(jià)體系。但是，納米藥物從進(jìn)入血管到被腫瘤微環(huán)境中的細(xì)胞吞噬面臨多道限速步驟，需要設(shè)計(jì)構(gòu)建多功能的納米機(jī)器。相對(duì)而言，適合用納米機(jī)器治療的疾病應(yīng)當(dāng)具有如下特征：

（1）與臨床上的標(biāo)準(zhǔn)治療方案相比，通過(guò)納米遞送的方式可以增加藥物在病灶區(qū)的富集或改變給藥方式減輕病人痛苦，增加依從性；

（2）藥物起效部位應(yīng)當(dāng)易于到達(dá)，如對(duì)于靜脈輸注的納米機(jī)器，血管內(nèi)起效藥物優(yōu)于胞外起效優(yōu)于胞內(nèi)起效；

（3）與周圍正常組織相比，病灶區(qū)有較為明顯的生化性質(zhì)改變；

（4）已存在有潛力的治療方案但缺乏體內(nèi)應(yīng)用遞送載體。這些疾病的給藥方式并不全都是靜脈輸注；因此，研究經(jīng)鼻、口服、滴眼納米藥物到達(dá)病灶區(qū)的特殊屏障，并與臨床需求緊密結(jié)合明確適應(yīng)癥，探索治療的可行性，可以拓寬納米藥物的適用范圍，加速臨床轉(zhuǎn)化。

       精準(zhǔn)給藥是病人用藥的大趨勢(shì)。在治療前檢測(cè)病人體內(nèi)的標(biāo)志物，對(duì)于選擇合適的治療方案至關(guān)重要。由于影響納米機(jī)器體內(nèi)遞送的因素眾多，因此納米機(jī)器的配套檢測(cè)手段不能僅僅以生物標(biāo)志物作為指標(biāo)。一個(gè)思路是設(shè)計(jì)與載藥納米機(jī)器結(jié)構(gòu)相同、攜帶報(bào)告分子的空載體，當(dāng)納米機(jī)器打開時(shí)報(bào)告分子激活發(fā)出信號(hào)，可視化納米機(jī)器的體內(nèi)運(yùn)行情況，據(jù)此對(duì)病人進(jìn)行分級(jí)，可能增加納米藥物臨床試驗(yàn)的成功率。

5 促進(jìn)醫(yī)用納米技術(shù)行業(yè)發(fā)展的若干建議

       智能納米機(jī)器藥物是高度交叉的多學(xué)科融合的領(lǐng)域。結(jié)合臨床實(shí)踐和交叉學(xué)科發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)因，促進(jìn)醫(yī)用納米技術(shù)的基礎(chǔ)研究與臨床應(yīng)用更好地結(jié)合，在未來(lái)形成我國(guó)在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù)體系。

（1）進(jìn)一步促進(jìn)多學(xué)科交叉融合。智能納米機(jī)器作為未來(lái)醫(yī)療的重要組成部分，應(yīng)當(dāng)與醫(yī)療器械、臨床治療經(jīng)驗(yàn)緊密結(jié)合，融入疾病診療流程。目前醫(yī)用納米材料研究者的背景主要是物理、化學(xué)、材料、生物和醫(yī)學(xué)，著眼于納米藥物本身，而來(lái)自數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、微電子等領(lǐng)域的新鮮血液可以為開發(fā)新型智能納米機(jī)器及其配套醫(yī)療器械、操控軟件注入活力。培養(yǎng)一批具有多學(xué)科交叉背景的學(xué)術(shù)帶頭人，協(xié)調(diào)不同背景的研究者集中突破重大科學(xué)問(wèn)題?？梢灶A(yù)見，未來(lái)的部分智能納米機(jī)器將實(shí)現(xiàn)納米藥物、設(shè)備硬件以及人機(jī)交互界面的集成，提供一整套臨床治療方案。

（2）構(gòu)建醫(yī)用納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。學(xué)習(xí)美國(guó)NCI Alliance和蘇州納米所—生物納米科技園—納米城三位一體的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，圍繞納米科技人才聚集地布局納米科技產(chǎn)業(yè)園，鼓勵(lì)科研成果轉(zhuǎn)讓，釋放基礎(chǔ)研究?jī)?yōu)勢(shì)，促進(jìn)一批初創(chuàng)企業(yè)的快速成長(zhǎng)，增加本土醫(yī)療器械與制藥企業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

（3）監(jiān)管機(jī)構(gòu)與納米醫(yī)藥行業(yè)從業(yè)者共同完善關(guān)于醫(yī)用納米材料產(chǎn)品的技術(shù)要求，推出指導(dǎo)原則，降低納米醫(yī)藥產(chǎn)品開發(fā)的政策風(fēng)險(xiǎn)。

（4）推動(dòng)醫(yī)用納米材料監(jiān)管、科研和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的國(guó)際交流合作。不同地區(qū)的納米醫(yī)藥開發(fā)各有所長(zhǎng)，相互學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)方法對(duì)于促進(jìn)我國(guó)醫(yī)用納米技術(shù)商業(yè)化有重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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