納米機(jī)器人距離現(xiàn)實(shí)還有多遠(yuǎn)？

降蘊(yùn)彰

在納米機(jī)器人研究方面，我國已經(jīng)進(jìn)入全球第一梯隊(duì)。2020年8月成立的君全智藥是國內(nèi)首家從事醫(yī)學(xué)智能納米機(jī)器人研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的創(chuàng)業(yè)公司，這標(biāo)志著我國醫(yī)學(xué)智能納米機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化邁出了重要一步。

美國理論物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎獲得者理查德·費(fèi)曼1959年12月發(fā)表了題為《微觀世界有無垠的空間》的演講。在這次演講中，他開創(chuàng)性地提出了“納米技術(shù)”的概念，設(shè)想未來納米級微型機(jī)器人可以進(jìn)入人體內(nèi)部，幫助患者治療各種人體疾病。

理查德·費(fèi)曼關(guān)于納米機(jī)器人的論述，聽起來像天方夜譚，但如今卻正在逐步變成現(xiàn)實(shí)。近年來，許多國際頂尖納米科學(xué)家已經(jīng)將納米機(jī)器人用于治療各種疾病的研究中。2020年8月，世界頂尖科研期刊《Nature》發(fā)表論文指出，美國賓夕法尼亞大學(xué)聯(lián)合康奈爾大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出全球首款“微米機(jī)器人”：高5微米、長40微米、寬70微米，比頭發(fā)絲還細(xì)千倍，通過顯微鏡才能看到。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)作者Itai?Cohen教授認(rèn)為，這種“微米機(jī)器人”可在高酸性、高溫的惡劣環(huán)境生存，還可以被移液器和注射器安全吸入，像化學(xué)物質(zhì)一樣通過皮下針頭注射，進(jìn)入人體各個(gè)部位，在人體內(nèi)準(zhǔn)確抵達(dá)某個(gè)部位，配合醫(yī)生進(jìn)行高精確度操作，進(jìn)行智能微手術(shù)；甚至可在分子層面對原子和細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行一系列的改造。

《小康》雜志、中國小康網(wǎng)注意到，據(jù)英國《新科學(xué)家》周刊網(wǎng)站2023年12月6日報(bào)道，紐約大學(xué)物理系的Feng?Zhou及其同事利用四條DNA（脫氧核糖核酸）鏈創(chuàng)造了只有100納米寬的微型機(jī)器人，可以對人類血液中的癌細(xì)胞進(jìn)行搜索和摧毀。更神奇的是，這種DNA納米機(jī)器人能夠以指數(shù)方式快速自我繁殖，顯著提高制藥效率。

我國政府在2005年發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中對納米技術(shù)做出具體的發(fā)展規(guī)劃。具體到納米機(jī)器人，中國科學(xué)院院士、國家納米科學(xué)中心主任趙宇亮介紹，目前在納米機(jī)器人研究方面，我國已經(jīng)進(jìn)入全球第一梯隊(duì)。喬治亞大學(xué)物理系杰出研究教授趙奕平是最早開展納米機(jī)器人研究的華人科學(xué)家之一，據(jù)他觀察，目前在微納機(jī)器人這個(gè)方向，國際上大約有一半的文章是中國學(xué)者發(fā)表的。

國家納米科學(xué)中心副主任聶廣軍是納米藥物領(lǐng)域的國際頂尖科學(xué)家，長期致力于研究智能納米藥物用于腫瘤微環(huán)境感應(yīng)和調(diào)控。他帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)與美國亞利桑那州立大學(xué)合作，構(gòu)建了一種能夠在小鼠、豬等動物活體內(nèi)定點(diǎn)輸運(yùn)藥物的納米機(jī)器人。該項(xiàng)研究表明，DNA納米機(jī)器人對血管豐富的腫瘤類型（如肝癌、黑色素瘤和肉瘤）療效最為顯著，可以使75%的荷瘤小鼠達(dá)到腫瘤完全消退，在小鼠和巴馬豬模型中顯示出良好的生物安全性和免疫惰性。

這次由我國科學(xué)家聶廣軍團(tuán)隊(duì)引領(lǐng)的納米技術(shù)潮流，首次實(shí)現(xiàn)了納米技術(shù)輸運(yùn)高活性生物分子，在動物活體內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的腫瘤特異性識別和抗腫瘤功能，屬于智能納米藥物遞送技術(shù)中的巔峰技術(shù)。聶廣軍團(tuán)隊(duì)的相關(guān)論文2018年在國際頂級期刊《自然生物技術(shù)》（Nature?Biotechnology）發(fā)表之后，被美國《科學(xué)家》（The?Scientist）雜志將其與液體活檢、同性繁殖、人工智能一起評選為2018年度世界四大技術(shù)進(jìn)步，并入選了2018年“中國科學(xué)十大進(jìn)展”。

納米機(jī)器人在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其中最重要的就是在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。近年來，醫(yī)用納米機(jī)器人的研發(fā)取得不少可喜的成果。不過，醫(yī)用納米機(jī)器人目前仍處于研究和實(shí)驗(yàn)階段，還未進(jìn)入臨床醫(yī)療。其最主要原因，是納米機(jī)器人在生物安全性、驅(qū)動、體內(nèi)導(dǎo)航等方面仍然存在諸多風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。

《小康》雜志、中國小康網(wǎng)從國家科技部獲悉，目前我國已經(jīng)有為數(shù)不多的高科技企業(yè)從事納米機(jī)器人的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化布局。其中，2020年8月成立的君全智藥（全稱為北京君全智藥生物科技有限公司）是國內(nèi)首家從事醫(yī)學(xué)智能納米機(jī)器人研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的創(chuàng)業(yè)公司。該公司總經(jīng)理史權(quán)威是國家納米科學(xué)中心研究員。聶廣軍教授目前擔(dān)任君全智藥首席科學(xué)家。

一個(gè)最前沿的研究領(lǐng)域

納米機(jī)器人，顧名思義，是一種尺寸在納米級別的機(jī)器人。1納米是1米的10億分之一，大約50微米寬的頭發(fā)絲也要比一個(gè)1納米的物質(zhì)寬5萬倍。納米機(jī)器人的尺寸通常只有幾十到幾百納米，超過這個(gè)范圍，就難以產(chǎn)生足夠的驅(qū)動力來推進(jìn)它們的運(yùn)動。

納米機(jī)器人通常由分子、納米管和納米顆粒等納米材料構(gòu)成，涉及的學(xué)科包括生物學(xué)、材料、物理、化學(xué)、人工智能、微納電子等等，是一個(gè)學(xué)科高度交叉的領(lǐng)域?？蒲腥藛T能夠在模擬條件下，通過化學(xué)能、電能、磁能、光能等各種方式，讓這些微納米尺度的人造分子與顆粒自主運(yùn)動起來，在非常小的空間內(nèi)進(jìn)行操作，完成一些特殊的任務(wù)。在醫(yī)療、環(huán)保、能源、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域，納米機(jī)器人都有著廣泛的應(yīng)用前景。

具體來說，在醫(yī)療領(lǐng)域，納米機(jī)器人可以進(jìn)入人體內(nèi)部進(jìn)行治療和藥物傳遞，實(shí)施精確的藥物釋放、癌細(xì)胞的清除等；在能源領(lǐng)域，可以被用來開發(fā)更高效的太陽能電池和更先進(jìn)的儲能技術(shù)，可以被用來提高化石燃料的開采效率和減少能源的消耗；在環(huán)境領(lǐng)域，可以被用來清理海洋污染和處理污水，還可以被用來監(jiān)測和控制環(huán)境污染；在材料科學(xué)領(lǐng)域，可以被用來制造納米結(jié)構(gòu)材料，如納米管、納米線、納米顆粒等，以及進(jìn)行材料表面處理和化學(xué)反應(yīng)等；在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，可以被用來制造超級計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)等；在軍事領(lǐng)域，可以被用于制造更小、更靈活的軍用機(jī)器人，例如“螞蟻士兵”等……

現(xiàn)在許多國家和機(jī)構(gòu)在研究和制造納米機(jī)器人。美國的哈佛大學(xué)、馬薩諸塞理工學(xué)院、瑞士的蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院等都在這個(gè)領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)。早在2012年，美國的哈佛大學(xué)就制造了一種大小僅為100納米，可以被用來傳遞分子和控制化學(xué)反應(yīng)等任務(wù)的“DNA納米機(jī)器人”；2018年，瑞士的蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院制造了一種被稱為“Flywalker”的機(jī)器人，體積僅有70納米，可以在顯微鏡下進(jìn)行控制；2023年3月6日，韓國光州科學(xué)技術(shù)研究院（GIST）宣布，該學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出“載藥用于治療腦部疾病的微納機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)”技術(shù)，成功地將磁性藥物靶向技術(shù)應(yīng)用于腦腫瘤和中風(fēng)疾病模型。

納米機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域有極其重要的作用。利用納米醫(yī)學(xué)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對人類重大疾病的精準(zhǔn)診斷和治療是科學(xué)家們追逐的一個(gè)偉大夢想。哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院陶偉教授的研究方向主要聚焦在藥物的智能遞送系統(tǒng)上，包括生物材料、納米技術(shù)和藥物遞送系統(tǒng)，“納米機(jī)器人”正是很好的運(yùn)輸工具。他指出，臨床上其實(shí)有很多有效的藥物，卻不能很好地治療疾病，其中一個(gè)原因是藥物不能準(zhǔn)確地到達(dá)病灶部位并針對性地釋放藥物，造成毒副作用大、治療效果差等問題。

作為一名生物醫(yī)學(xué)工程研究員，陶偉具有材料科學(xué)、納米技術(shù)和生物學(xué)等多學(xué)科背景。他主導(dǎo)開發(fā)了多種具有獨(dú)特藥物遞送功能的智能載體系統(tǒng)，能夠主動靶向病灶部位，并且通過內(nèi)在刺激或者外部刺激精準(zhǔn)地“按需”可控給藥，在減少毒副作用的同時(shí)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療和高效治療。他的這一研究成果“為眼部疾病治療帶來新的可能”。2020年12月，在由DeepTech?深科技與《麻省理工科技評論》共同評選的第四屆中國區(qū)“35歲以下科技創(chuàng)新35人”榜單中，陶偉憑借出色的醫(yī)學(xué)成就光榮入選。

主辦方給出的獲獎理由是：主導(dǎo)開發(fā)了多種具有獨(dú)特藥物遞送功能的智能載體系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)重大疾病的高精準(zhǔn)度、“按需”可控治療；研發(fā)了一系列程序化的刺激-響應(yīng)納米材料機(jī)器人，能夠主動靶向病灶部位，并且通過內(nèi)在刺激或者外部刺激精準(zhǔn)地“按需”可控給藥，在減少毒副作用的同時(shí)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療和高效治療。

2022年，陶偉課題組的工作主要集中在先進(jìn)mRNA藥物遞送系統(tǒng)、靶向心血管疾病的siRNA納米藥物、藥物遞送和組織再生水凝膠、智能口服給藥系統(tǒng)、診療納米藥物等的開發(fā)。陶偉表示：“我的目標(biāo)始終是實(shí)現(xiàn)所研發(fā)的藥物遞送技術(shù)的商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化，使其能夠真正地應(yīng)用于臨床治療，改善腫瘤、心血管疾病、糖尿病等病人的健康狀況?！?/p>

躋身國際第一梯隊(duì)

2022年7月17日，“中國納米25人”院士高峰論壇在廣州舉行，趙宇亮、顏德岳、陳和生等二十多位院士級別的權(quán)威專家出席并做了主題報(bào)告。本次論壇重磅發(fā)布了88項(xiàng)國際領(lǐng)先納米科技產(chǎn)業(yè)化成果，其中，具有世界領(lǐng)先水平的腫瘤治療納米機(jī)器人最受矚目。

廣東粵港澳大灣區(qū)國家納米科技創(chuàng)新研究院醫(yī)用DNA納米機(jī)器人項(xiàng)目助理張?zhí)饏⒓恿吮敬握搲?jù)她介紹，目前現(xiàn)有的腫瘤治療藥物除了殺傷腫瘤細(xì)胞之外，也會殺傷人體正常細(xì)胞。醫(yī)用DNA納米機(jī)器人可以直接通過靜脈注射，借助DNA納米結(jié)構(gòu)特異性識別功能，待藥物到達(dá)特定腫瘤位置，DNA納米結(jié)構(gòu)便會展開，其內(nèi)部載帶的藥物旋即釋放出來，使得抗腫瘤藥物只針對特定腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生作用。醫(yī)用DNA納米機(jī)器人可以直接在體內(nèi)降解，不需要經(jīng)過肝臟代謝，所以毒副作用非常低。

納米機(jī)器人技術(shù)是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，在醫(yī)療保健、制造和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域都具有廣闊的潛力。哈爾濱工業(yè)大學(xué)微納米技術(shù)研究中心賀強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)2021年在機(jī)器人領(lǐng)域權(quán)威期刊《科學(xué)·機(jī)器人》（Science?Robotics）發(fā)表了一篇論文，通過設(shè)計(jì)一種使用磁性材料的微型機(jī)器人，并利用旋轉(zhuǎn)磁場對機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程導(dǎo)航，將藥物輸送至小鼠的組織，從而治愈了小鼠的腦瘤。為了治愈小鼠的腦瘤，這款微型機(jī)器人的寬度大約只有人類頭發(fā)絲的百分之一，從而可以毫不費(fèi)勁地游動。賀強(qiáng)教授介紹，現(xiàn)在國內(nèi)專門研究納米機(jī)器人的課題組，已經(jīng)超過了50個(gè)。

納米機(jī)器人是一種具有遠(yuǎn)大前景的新興技術(shù)，為了推動納米機(jī)器人行業(yè)發(fā)展并規(guī)范其應(yīng)用，目前有60多個(gè)國家已經(jīng)制定了相應(yīng)的發(fā)展戰(zhàn)略。中國作為全球創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的重要參與者，也意識到納米機(jī)器人行業(yè)的潛力，從2019年開始，國家科技部就將納米機(jī)器人列為納米醫(yī)學(xué)一個(gè)新的、重要的研究方向，在政策支持方面采取了一系列舉措。而在地方政府的發(fā)展戰(zhàn)略中，也將納米機(jī)器人列入官方政策規(guī)劃。比如，在《北京市機(jī)器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動方案（2019—2022年）》中，就明確提出，要加快骨科手術(shù)機(jī)器人、納米機(jī)器人等醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè)布局，推動機(jī)器人臨床應(yīng)用研究，開展下一代手術(shù)機(jī)器人遠(yuǎn)程手術(shù)、安全操控等核心技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化；2022年3月，黑龍江省印發(fā)的《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》中，也明確提出，要大力培育百億級生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)示范基地，加快發(fā)展納米機(jī)器人、高通量生化分析儀、自動化免疫分析儀等高端醫(yī)療設(shè)備……

國家納米科學(xué)中心是由中國科學(xué)院和教育部共同成立的中科院直屬事業(yè)單位。趙宇亮是在2023年10月卸任國家納米科學(xué)中心主任的，據(jù)他介紹，國家納米科學(xué)中心的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在設(shè)計(jì)一些微納生物機(jī)器人的雛形，比如基于化學(xué)自組裝芯片的治病納米機(jī)器人，通過模塊化設(shè)計(jì)提高智能藥物的拓展性、交叉性和功能性。微納生物機(jī)器人結(jié)合雜合生物系統(tǒng)中元件/模塊的感知、識別、趨化、響應(yīng)等特性，將發(fā)展為下一代腫瘤精準(zhǔn)免疫診療的新策略。

納米機(jī)器人新技術(shù)新產(chǎn)品的出現(xiàn)，將會對監(jiān)管帶來一定的挑戰(zhàn)。為加強(qiáng)對納米技術(shù)醫(yī)療器械產(chǎn)品的監(jiān)管，讓監(jiān)管與納米技術(shù)同步發(fā)展，國家納米科學(xué)中心與國家藥監(jiān)局醫(yī)療器械技術(shù)審評中心、中國食品藥品檢定研究院共同組建了國家藥監(jiān)局納米技術(shù)產(chǎn)品研究與評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在納米技術(shù)醫(yī)藥產(chǎn)品安全性、有效性評價(jià)和標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)等方面，研究開發(fā)新工具、新標(biāo)準(zhǔn)、新方法，為監(jiān)管部門評價(jià)相關(guān)產(chǎn)品提供技術(shù)支撐。

當(dāng)前，我國已發(fā)布一系列納米醫(yī)療器械的審評標(biāo)準(zhǔn)、指南和指導(dǎo)原則。這些政策文件是推動納米技術(shù)發(fā)展以及相關(guān)科研成果在醫(yī)藥領(lǐng)域轉(zhuǎn)化應(yīng)用的助推器。

產(chǎn)業(yè)化邁出重要一步

納米機(jī)器人的研發(fā)已成為當(dāng)今科技的前沿?zé)狳c(diǎn)。根據(jù)公開報(bào)道，國外有一些納米機(jī)器人研發(fā)單位看好納米機(jī)器人的應(yīng)用前景，已經(jīng)開始投入巨資，推動納米機(jī)器人科研的成果轉(zhuǎn)化，意在搶占納米機(jī)器人戰(zhàn)略高地。比如，2017年，一家總部位于加州的初創(chuàng)公司BionautLabs成立，該公司研發(fā)的微型機(jī)器人可以被送入人類大腦深處，以治療其他方法無法醫(yī)治的頑疾。2022年4月，該公司對外宣布，計(jì)劃在兩年內(nèi)針對其微型可注射機(jī)器人進(jìn)行首次人體臨床試驗(yàn)。

目前，我國在納米機(jī)器人領(lǐng)域尚未推進(jìn)到臨床試驗(yàn)階段。中科院化學(xué)研究所副研究員張瑩等人在2021年底發(fā)表的一篇題為《納米機(jī)器人在靶向藥物遞送系統(tǒng)中的研究進(jìn)展》的文章中寫道，為了滿足生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的實(shí)際需求，納米機(jī)器人在生物安全性、驅(qū)動、體內(nèi)導(dǎo)航、體內(nèi)安全性等方面仍然存在諸多挑戰(zhàn)。

納米機(jī)器人的生物安全性是納米機(jī)器人走向?qū)嶋H應(yīng)用的基礎(chǔ)。張瑩等人指出，納米機(jī)器人進(jìn)入體內(nèi)對生物體造成的可能影響以及完成任務(wù)后如何從體內(nèi)消除是值得關(guān)注的問題。選擇具有良好生物相容性、生物降解性以及可靠安全的材料是關(guān)鍵。納米機(jī)器人需要在血液、尿液、間質(zhì)液等生物介質(zhì)中，持續(xù)推進(jìn)以完成醫(yī)療任務(wù)，然而，生物體內(nèi)液體環(huán)境復(fù)雜，生物介質(zhì)通常是非均質(zhì)的，這給納米機(jī)器人在生物體內(nèi)的持續(xù)推進(jìn)帶來了不確定性。

納米機(jī)器人在體內(nèi)自主導(dǎo)航和精確操控方面，目前主流的設(shè)計(jì)是通過光學(xué)顯微鏡、熒光顯微鏡、超聲顯微鏡等成像技術(shù)來精確定位與追蹤納米機(jī)器人在體內(nèi)的運(yùn)動。不過，賀強(qiáng)指出，如今最先進(jìn)的體內(nèi)成像系統(tǒng)還無法“看見”納米這個(gè)級別的物體，即無法“注視”到單個(gè)的納米機(jī)器人，只能通過追蹤納米機(jī)器人集群的方式實(shí)時(shí)定位和規(guī)劃路徑，而且成像的速度也趕不上納米粒子在血液中運(yùn)動的速度。他認(rèn)為，從細(xì)胞實(shí)驗(yàn)、動物實(shí)驗(yàn)走向臨床試驗(yàn)，還有大量的研發(fā)工作要完成，成本很高、時(shí)間很長。

對于我國納米機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，趙宇亮近日對外透露，國家納米科學(xué)中心相關(guān)團(tuán)隊(duì)“正準(zhǔn)備將可注射治病納米機(jī)器人推向臨床應(yīng)用”。他這樣解釋，藥物遞送第一代技術(shù)和第二代技術(shù)與醫(yī)療器械無關(guān)，但第三代技術(shù)升級為智能化納米載體后，就與醫(yī)療器械有著緊密關(guān)系?！耙钥勺⑸渲尾〖{米機(jī)器人為例，它只有細(xì)胞的1/100大小，在體外組裝好后被注射到體內(nèi)。它可以在體內(nèi)主動找到腫瘤病灶處對腫瘤進(jìn)行治療，并在治療結(jié)束后主動降解排出體外。這方面的基礎(chǔ)研究，我國走在世界前列?！?/p>

《小康》雜志、中國小康網(wǎng)獲悉，2020年，在國家創(chuàng)新藥研發(fā)政策的鼓勵、國家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀項(xiàng)目北京對接會的引導(dǎo)，以及天使投資機(jī)構(gòu)的大力支持下，君全智藥正式成立。并且成立不久，就獲得了納通科技集團(tuán)和英諾天使基金的投資。據(jù)悉，君全智藥已建立了具備DNA納米技術(shù)生產(chǎn)工藝開發(fā)與質(zhì)量研究功能的實(shí)驗(yàn)室，并完成了多種2D、3D的DNA納米結(jié)構(gòu)批量制備的工藝開發(fā)。

君全智藥將致力于成為DNA納米技術(shù)行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)。該公司總經(jīng)理史權(quán)威表示：“我們現(xiàn)在是first，未來希望做行業(yè)里的best。”毫無疑問，君全智藥的成立，標(biāo)志著我國醫(yī)學(xué)智能納米機(jī)器人研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化邁出了重要一步。