DNA 橡木桶? 奈米魔鬼沾? 一探《极乐世界》医疗床的科学原理

再过6小时就开始週休二日的假期,要去看电影吗?由麦特戴蒙主演的科幻电影《极乐世界》(Elysium),描述2154年的人类分成两个世界:地表上充满着颓圮、绝望与混乱失序,是穷人的世界;地球上空的「极乐世界太空站」,整齐清洁、明亮优美,充满着轻鬆休闲的气氛,是富人的世界。二十几万有钱人住在有如比佛利山之类的豪宅区,他们掌握了地球上的各种资源,却不必跟普通人一样忍受恶劣糟糕的生活环境。

没有疾病、长寿美丽

其实一般人也不见得一定要进去戒备森严的极乐世界,但那里有着一项神乎奇技的医疗科技,几乎可以治好人类所有的疾病:只要躺在Med-Pod 3000医疗床上,所有疾病迅速诊断并治疗完毕,连癌症都像小感冒一样简单;Med-Pod 3000还能维持人体各项机能不衰减,平均寿命是以往的三倍;当然医疗美容的功能也不缺,除了可以常保年轻,遇到外伤要全脸部重建,过程只需要40.23秒。

DNA 橡木桶? 奈米魔鬼沾? 一探《极乐世界》医疗床的科学原理
(Photo Credit: Sony Pictures)

相对于极乐世界如此先进的医疗水準,地表上的医院看起来却跟我们现在没什幺两样,医疗技术也没有改变,经过一百多年,白血病还是绝症。因此人们疯狂地冒着生命危险要偷渡去极乐世界,往往只是为了一下船就立刻闯入民宅,然后把自己快病死的孩子放在医疗床上治病,等到警卫冲进来逮捕时,病也治好了。

DNA 橡木桶? 奈米魔鬼沾? 一探《极乐世界》医疗床的科学原理
(Photo Credit: Armadyne)

这张令人印象深刻的医疗床,究竟是从哪一种科技延伸出来的科幻梗?当人躺好,护罩盖上,里面转一圈就开始所谓的「雾化」(Atomizing)程序,又是喷了什幺东西到人身上?医疗床官网上的 " nanobotic blood cell" 给了我们一个方向:奈米科技。透过跟细胞差不多大小的「奈米机器人」进入人体办事,已经是大家很熟悉的概念了,不过却还不是一项普及的技术。2012年有两项奈米科技研究发表,都是朝着《极乐世界》美好的医疗远景迈进,不过哪一项技术比较接近那张医疗床呢?

DNA 橡木桶

哈佛大学威斯生物工程中心研发出一种利用 DNA 製作的装置,可以在像人体这样充满众多种类细胞的环境中寻找出特定类型的细胞,接着对它执行某种特定的程序。若以治疗癌症为例,这种装置在人体内寻找癌细胞,找到后,对它们下达自毁指令,癌细胞就杀光了。未来,这样的装置也可能做为促进免疫系统功能的途径。

这份刊登在「科学」杂誌的研究,利用 DNA 摺纸术(DNA Origami)将长长的 DNA 链像摺纸一样叠起来。研究者製造出一种奈米大小的「机器人」,概念像是一个橡木桶,桶子上有特殊 DNA「闩锁」,负责寻找与辨认特定的细胞表面蛋白质,包含一些具疾病特徵的。闩锁找到这些蛋白质后,「橡木桶」就会释放出里面一些先经过编码的分子,他们专门与这些细胞表面的受体产生作用,进而影响这些细胞。

他们的研究分别针对白血病与淋巴瘤,当找到这些癌细胞后,编码在抗体片段里面的「指令」便会启动癌细胞的「自杀」程序─一种其实是针对老化的或变异的细胞的正常自毁功能,如此一来癌细胞就死了。

DNA 橡木桶? 奈米魔鬼沾? 一探《极乐世界》医疗床的科学原理
DNA摺叠成桶状在血管中抓坏的细胞,找到后便会释放桶中的分子对付坏细胞。 (Photo Credit: Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard)目标高度针对性免殃及无辜

他们的设计克服了一些障碍,例如这个「DNA 橡木桶」没有上下盖,因此将带有编码讯息的分子装填进去很容易,不用「打开盖子」「关上盖子」;他们针对更容易发现的细胞表面蛋白质,且都是跨(细胞)膜蛋白,下指令更容易;这整个过程是模仿白血球在血管里的巡逻、追捕、启动敌人「自杀」程序的过程,而且他们携带的编码讯息是模组化的概念,因此这套方法将来可以发展成针对各种不同疾病都可应用,只要知道敌人是谁,就可以快速对症下药。

这套由 Shawn Douglas、William Shih 等人开发出的疗法最令人感动之处在于治疗的目标是高度针对性的,不会有殃及无辜的问题。就以治疗癌症来说,化学治疗的原理是杀光人体内生长快速的癌细胞,但同时也杀死了其他生长也很快的细胞,例如头髮,这是化疗会掉髮的原因;放射线治疗则是直接照射癌细胞把它们烧死,但癌细胞周围的正常细胞也会被照到,就好像直接猛攻恐怖份子,也会把人质一起杀死的状况。


奈米魔鬼沾

在这项研究发表的10个月后,2012年12月,日本基干研究所与美国加州大学洛杉矶分校共同发表了「奈米魔鬼沾」,可以把肿瘤细胞从主要的生长地剥离,也可以捕捉在血管内暴走的肿瘤细胞,让它们来不及殖民到别的地方。此外,它还可以做为一种非侵入性的癌症检测工具,同时也可以研究癌症在身体内散布的模式。

而且,因为「奈米魔鬼沾」是「活逮」这些有害的细胞,因此事后还可以把他们统统「押解」回实验室,不是为了「起诉」「审判」,而是让科学家有机会进行活体实验。

DNA 橡木桶? 奈米魔鬼沾? 一探《极乐世界》医疗床的科学原理
摄氏37度时「魔鬼沾」会紧抓肿瘤细胞(左),4度时会放开(右)(Photo Credit: 基干研究所)

这项由基干研究所主研究员尤啸华博士及洛杉矶分校分子医药学部助理教授曾宪荣博士领导的研究,刊登在12月17日的「先进材料」(Advanced Materials)期刊。其实类似的技术之前也发表过,但由两位同样出身自台大化学系科学家的研究,不论在肿瘤细胞捕捉与释放都非常有效率。「奈米魔鬼沾」在血管中像过滤器,上头的分子结构可以附着在肿瘤细胞上;在摄氏37度、也就是人体正常体温範围内,「奈米魔鬼沾」上的聚合物小刷子会紧紧黏住肿瘤细胞,如需释放肿瘤细胞,把温度降到4度即可。释放的效率介于40%至70%。

迷人的科学体验

尤啸华表示,目前为止大多数装置都展现高效率的捕捉技术,但释放这些肿瘤细胞以便保存与研究以获得更多资讯也同样重要,这是我们的研究成果与其他相比最大的不同。

看完了两项研究的叙述,你可能会觉得「DNA 橡木桶」比较接近《极乐世界》那张医疗床的科学原理吧。科学的迷人之处在于很多原本只是科幻的东西都有实现、让世界变得更好的机会,透过电影相关科技进步,这些年来我们甚至可以提早看到拟真的、未来世界的样貌(当然不希望像《极乐世界》那幺惨),运气好的话,有生之年说不定真有机会亲自体验呢。

DNA 橡木桶? 奈米魔鬼沾? 一探《极乐世界》医疗床的科学原理
(Photo Credit: Armadyne)

(Opening Photo Credit: Sony Pictures)

相关资料
A Logic-Gated Nanorobot for Targeted Transport of Molecular Payloads
Researchers at Harvard’s Wyss Institute Develop DNA Nanorobot to Trigger Targeted Therapeutic Responses
Capture and Stimulated Release of Circulating Tumor Cells on Polymer-Grafted Silicon Nanostructures
New technology allows scientists to capture and preserve cancer cells circulating in the bloodstream
Armadyne: Care: Perfect health is just the beginning.

后记
尤啸华,1992年国际奥林匹亚化学金牌奖得主,保送台湾大学化学系。曾宪荣,1998年中华民国国立台湾大学化学博士班毕业,论文「硫缩醛的新型态反应」。