不會耐葯的納米級癌細胞「穿甲彈」

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能夠被光激活的分子馬達 圖片來源：萊斯大學

癌症的治療一直是科學家們挑戰的熱門研究領域，但是各種基於化學結構的方法，都容易最終引發耐藥性，使得癌細胞「進化」得更加棘手。當化療藥物鋪天蓋地的今天，物理方法是否能夠另闢蹊徑，成為癌症治療的殺手鐧呢？

最近，來自萊斯大學、杜倫大學和北卡羅來納州立大學在實驗室測試中證實，由光碟機動的機動分子能夠在個體細胞的細胞膜上鑽出小孔，並且有希望能夠使治療藥物進入細胞或者直接導致細胞死亡。本周在《Nature》雜誌上，展示了研究的詳細工作。

單分子納米機器中的轉子是如何被紫外線激活，並以每秒2到300萬旋轉的速度旋轉打開細胞膜的呢？

研究由化學家萊斯大學的James Tour 、杜倫大學的Robert Pal of Durham和北卡羅來納的Gufeng Wang領導。他們的實驗室合作創建了幾個機動化的分子，可以靶向特定的細胞。研究人員也觀察到了當他們用光激活馬達時發生了什麼。

研究人員使用的分子馬達基於的是諾貝爾獎得主Bernard Feringa的研究成果，他在2016年獲得了諾貝爾化學獎。馬達本身就是一種類似於槳狀的原子鏈，在能量供應時，它可以在朝一個方向上移動。作為細胞靶向分子的一部分，當馬達被光源激活時，會發生快速旋轉。

Tour的實驗室之前論證了分子馬達，當它被紫外線激活時，在溶液中的分散會得到提升。轉子需要以2-3百萬赫茲的頻率旋轉，每秒2-3百萬次旋轉，表明了他們能夠克服相鄰分子的阻礙並且超過自然界的布朗運動。

這給研究人員提供了靈感。「我們認為，也許可以將這些納米機器連接到細胞膜上，然後激活它們看一看會發生什麼，」Tour表示。

馬達只有納米級的寬度，可以設計靶向脂雙層膜，然後在上面穿出通道用於遞送藥物以及其他搭載物，或者將膜進行8-10納米寬度的破壞，然後殺死細胞。

它們還可以功能化用於溶解或者熒光追蹤，他說。「這些納米機器是如此的小，因而我們可以在人類頭髮絲直徑的區域配置50,000個，但它們的靶向和驅動組件結合在這個微小的結構里，使分子機器有望治療疾病，」Tour說。

萊斯大學的實驗室製造了10種變體，包括幾種不同尺寸的帶有馬達的分子，以及攜帶有肽的納米機械。這些納米機械的設計目的是靶向殺滅特定的細胞。為了驗證馬達的轉動在其中的必然影響，試驗採用了對照組。試驗用的對照分子與其他納米機械相同，只是不含有馬達。研究人員稱，無馬達控制分子在紫外線照射下無法殺死細胞，這就消除了紫外線和其他因素的原因。

Wang的實驗室首次成功地測試了電動分子打開合成脂雙層泡囊的能力，允許染色溶液進入細胞內部。接下來，他們把攜帶染料的分子馬達困在一個小泡里，用紫外線激活它們，觀察到了熒光染料褪色，這表明馬達已經穿過了囊泡壁。

研究人員發現，穿膜運動需要至少一分鐘的時間。

Pal希望納米技術有助於靶向癌症，如乳腺腫瘤和黑色素瘤會對現有的治療方案產生耐葯。他說:「這種方法一旦被開發出來，就可能在非侵入性癌症治療中提供一個潛在的步驟，大大提高全球的生存率和患者福利。」

杜倫大學的Pal實驗室對包括人類前列腺癌細胞在內的活細胞進行了測試。實驗表明，如果沒有紫外線觸發，馬達可以定位特定的細胞，但僅僅停留在目標細胞表面，無法進入細胞。然而，當被紫外線觸發時，馬達能夠迅速鑽過薄膜。

Pal說，專門針對前列腺癌細胞的測試中，馬達從外面穿透細胞膜，並在一到三分鐘內將其殺死。更小的分子馬達更難以追蹤，但在紫外線激活後更容易進入細胞，破壞它們的細胞膜並殺死它們。

「一個細胞不可能對分子的機械作用產生耐藥性，」Tour說。這是一個非常讓人振奮的消息。對於很多癌細胞來說，機械力依然是不可抗拒的作用。

他們預計轉子最終可能會被雙光子吸收、近紅外光或無線電頻率激活，這將使該技術在體內治療中更加可行。這將為建立新穎、便捷、低成本的光動力療法鋪平道路。

參考資料：

[1] Motorized molecules drill through cells

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