納米機器人或成未來醫學界主角?

2021-01-20 晟電科學文化薈

血管中的機器人想像圖︱圖片來源：中國科學院


撰文︱齊天甫  電子科技大學英才實驗學院

    不久前，頂級刊物《科學·機器人學》（Science Robotics）上刊登了關於醫用納米機器人的突破性發現：藉助光聲斷層成像技術，實時控制納米機器人，讓其準確抵達人體某個部位（如腫瘤深處）進行藥物遞送或微創手術，完成人類幾乎不可能達到的療效。

納米機器人，這一經常出現在科幻電影中的概念，近幾年逐漸從理論轉向現實，成為了一個前沿領域。這個技術的出現完全顛覆了人們對醫療的固有印象：假如有一天你生病了，醫生不再給你開藥點滴，而是向你的血管中注射一些微型機器人，由它們找到病灶，進行精準治療並且不會帶來副作用……當這些成真之時，將極大革新醫療手段。


顧名思義，納米機器人是在微納米尺度上的智能體。和普通機器一樣，有機械結構及內部晶片，並且需要動力來驅動它的正常工作。儘管極其微小，但人們已經能夠藉助3D列印技術進行納米機器人的小型批量生產，但如果要將其注射進人體，對它們的精準定位及功能發揮就成了最重要的問題。

近年來，雖然微型電動機的合成已獲得很大進步，但這些微型移動平臺在人體深層組織中的成像與運動控制方面效率低下，而傳統光學成像技術的效果不盡人意。因此迫切需要在全身範圍內以高解析度實現對微電機的實時可視化，從而為後續治療步驟提供精確指導。

針對存在的成像與控制問題，該論文作者吳志光等人提出用光聲計算機斷層掃描（PACT）指導和監測體內腸道微電機運動的思想。

首先，微電機會被包裹在微膠囊中到達胃腸道，這些膠囊表面由特殊材料製成以防在胃中分解，期間PACT將實時觀察微膠囊在腸道靶區的遷移過程；之後選擇適當的時刻用近紅外光照射使得膠囊崩解，釋放裝載了藥物的微電機，強勁的馬達動力可以保證微電機在腸道流體的推力作用下擁有更長的滯留時間。由於高解析度，高分子對比度和深穿透性，PACT提供了一種有吸引力的工具來定位導航體內的馬達。至此，由PACT引導的微型機器人系統（PAMR）便完成了推進與滯留任務。

小鼠體內PARM系統示意圖︱圖片來源：Science Robotics


為了證明PAMR系統的效果，該研究組還進行了相關活體實驗。他們將微膠囊分散在純水中，口服給5至6周齡的小鼠，隨後將其麻醉，將下腹部分與超聲換能器的成像平面對齊以進行縱向成像。其中，對由呼吸行為引起的推動現象還進行了詳細圖像分析。結果發現，呼吸引起的運動比微電機的遷移要快很多，但即便如此，PACT仍可將有用信號從腸道中分離出來，這表明PACT可以精確跟蹤與檢測微電機的具體位置。

小鼠體內PARM動力學的PACT評估︱圖片來源：Science Robotics


除此之外，由於未來PARM需要進入人體並停留相當一段時間，因此對它的安全性需要嚴格證明，此處的體現就是生物相容性和生物降解性。為了評估PARM的毒理作用，該研究組還連續兩天每天一次給實驗組健康小鼠口服微膠囊溶液，經過兩個療程後，最開始先用體重變化作為指標評估毒性，發現實驗組和對照組沒有明顯差異；再進行組織學分析後，未觀察到黏膜或黏膜下層有淋巴細胞浸潤，證明沒有炎症發生，至此便可以初步證明PARM在生物體內的安全性，但未來如果要投入臨床使用，必須進一步進行藥代動力學或耐受性試驗等更嚴密的研究。


納米機器人從被當作概念提出到現在已經有了長足進步，但仍舊屬於最有潛力最值得探索的領域。儘管本論文為控制與成像問題做了初步解決，納米機器人離終點仍舊遙遙無期，上述論文作者和其他學者還提出未來要逐步實現以下功能：

1.巡視。目前，納米機器人都是人生病後再口服或注射進體內，那麼未來有沒有可能讓納米機器人「常駐」體內，成為我們的一部分，讓它們在血管或組織之間不停遊蕩，一旦發現病灶就能夠發出警告？實際上，以色列科學家已經開始著手進行這方面的研究與突破。

2.治療。納米機器人的目標是終結一切疾病，近日美國加州大學（University of California）研發的納米機器人成功清除了血液中的一種「超級細菌」和毒素，正逐步向「治療」這個目標靠近。

3.互聯。隨著人們對大腦的探索與理解，「腦機接口」這一名詞也被人們提出，如果讓大量的納米機器人組成一張精密連接的網絡並與人腦細胞建立聯繫，能夠讀取外界信息或發送大腦信號，或許可以讓我們與機器之間傳輸思想，下載思維，從而短時間內掌握大量技能與知識，達到「人機合一」。

總之，納米機器人這個神秘的領域，或許是迄今為止最為強大的技術，一旦完成，到底會把我們帶向何方，是走向永生，還是墮入毀滅？我們拭目以待……

Wu Z, Li L, Yang Y, et al. A microroboticsystem guided by photoacoustic computed tomography for targeted navigation inintestines in vivo[J]. Science Robotics, 2019, 4(32):eaax0613.


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