醫學

奈米機器人當醫生

克服所有的技術挑戰可能需要20年或更長的時間,不過,研究人員已邁出遙控奈米醫學的第一步。

撰文/格內麥爾(Larry Greenemeier)
翻譯/林雅玲

醫學

奈米機器人當醫生

克服所有的技術挑戰可能需要20年或更長的時間,不過,研究人員已邁出遙控奈米醫學的第一步。

撰文/格內麥爾(Larry Greenemeier)
翻譯/林雅玲

■有朝一日,奈米藥物以及相關裝置能攜帶生物相容的引擎和燃料,前往體內任何需要它們的部位。
■不過,在這之前,研究人員必須學會如何設計這些組成元件,讓它們移動時不會破壞或干擾正常的生物功能。
■短期內,科學家透過磁場和超音波來驅動奈米粒子前往目標區域,不過這種方法無法運用在體內深處。
■DNA製成的奈米機器人是可能的替代方案之一,這些化合物被設計成箱子的形式,只有在特定狀況下才會打開並釋出內含物。

奈米醫學研究人員想像的未來願景,一種小到難以置信的治療藥物,能巧妙前往體內任何器官的特定區域,一旦到達目的地,這些具自我導航功能的設備便施展各種功能,包括傳遞藥物和治療疾病的最新策略。在完成使命後,它們會安全地自我分解,不留下痕跡。這些所謂的「奈米機器人」是以生物相容材料製成(例如磁性金屬或DNA細絲),研究人員根據這些材料在原子層次的有用性質來選擇,它們還必須能躲開體內防禦系統的攻擊,並且不損傷細胞。

雖然這個願景可能需要10年或20年的時間才會完成,不過醫學研究人員已開始解決一些技術問題,其中一個最大的挑戰是:使奈米機器人精確到達體內目標位置。

藉力使力

目前市面上大部份的藥物,無論是直接注射到血液中,或是以膠囊型式從胃腸道吸收入血液裡,都能快速進入身體的血液系統。不過這些藥物最終除了到該去的目標,也可能跑錯部位而造成副作用或併發症。精巧的奈米醫學可引導藥物到達腫瘤位置或其他病灶處,而且抵達目的才會釋出藥物,因此降低副作用發生的風險。

美國加州大學聖地牙哥分校的奈米工程學系主任暨特聘教授王(Joseph Wang)表示,磁場和超音波短期內是引領奈米醫學的先鋒動力。舉例來說,在以磁性做動力的策略中,研究人員把氧化鐵或鎳製成的奈米粒子埋在特定藥物當中。接著他們在實驗動物體外,把數個永久磁鐵擺成特定形式,藉由調控磁場的變化驅動金屬藥物到體內的特定位置。在以超音波做為動力的策略中,研究人員直接對攜帶藥物的奈米粒子照射適量的超音波,使這些粒子破裂,因此所攜帶的藥物可以進入目標組織或腫瘤的深處。

2014年,英國基爾大學和諾丁漢大學的醫學研究人員進一步改良磁性動力策略以治療骨折。他們把氧化鐵奈米粒子附著到個別幹細胞上,接著把這些幹細胞注射到兩種不同的實驗環境,一種是雞胚胎內已成形的股骨,另一種是利用組織工程技術製造的膠原蛋白水膠為材料的人工骨架。一旦幹細胞到達骨頭斷裂點,研究人員利用外部振盪磁場快速改變奈米粒子所受的壓力,藉此把壓力傳給幹細胞,這種生物力學壓力會幫助幹細胞有效分化為骨細胞。幹細胞在這兩種實驗環境下都會長成新骨骼,不過癒合效果並不均勻。基爾大學醫學科技研究所的博士後研究員亨斯托克(James Henstock)表示,研究人員的最終目標是把多種生長因子加入沾附氧化鐵奈米粒子的幹細胞,讓修復過程更順暢。