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香港大学席宁:谈谈医疗纳米机器人的三大成功案例 | CCF-GAIR 2017

本文作者:三川 2017-07-09 14:22 专题:GAIR 2017
导语:看纳米机器人如何应用于皮肤病、淋巴癌、体细胞与假肢的黏合。

香港大学席宁:谈谈医疗纳米机器人的三大成功案例 | CCF-GAIR 2017

7 月 7 日,由中国计算机协会(CCF)主办,雷锋网、香港中文大学(深圳)承办的第二届 CCF-GAIR 全球人工智能与机器人峰会,在深圳如期开幕。在大会第三天的医疗机器人专场,机器人领域著名学者香港大学席宁教授,向与会嘉宾进行了主题报告——《用于生物医学和制药的纳米机器人》。

席老师是香港大学机器人与自动化讲席教授、IEEE RAS候任主席,主要研究方向包括机器人、制造自动化、微/纳米制造、纳米传感器和设备,以及智能控制与系统等。

香港大学席宁:谈谈医疗纳米机器人的三大成功案例 | CCF-GAIR 2017

纳米机器人的角色

众所周知,医疗有诊断和治疗这两大方面:诊断是对人体的各种异常现象进行测量;治疗,在工程机器人的角度是操作。纳米机器人既可用于诊断也可用于治疗,即 sensing 和 manipulation,传感测量和操作。

随着医学发展,诊断和治疗需要新的手段,在更小的尺度上进行 sensing 和 manipulation。这就是现在的全新诊断、治疗方式:在微米、纳米尺度上诊断病情,用纳米机器人在细胞、分子(比如 DNA 分子)层次做手术。

制药方面,传统上,新药开发以靶点为基础。这里面存在很多问题,所以现在新药开发的规范是 signaling pathway based,全面考察疾病和各种因素之间的关系,对副作用考虑更周全。这个层次进行新药开发,需要新的手段和技术。在分子和细胞的层次上进行 sensing 和 manipulation 就成了一大技术支持。

挑战:新药开发成本持续上升

现在,研发一个新药物需要 10 到 15 亿美元,10 年才能开发出来。新药开发的投资每年不断增长,但是药的数量基本上持平,说明新药出现的很少,成本不断提高。这导致投入产出差距越来越大。更严重的是,医学界发现的新疾病在不断增长,但药的数量并没有。这一难题日益凸显,业内将其称为 Pharma innovation gap(制药领域的创新缺口),亟需新技术、新途径改变现状。

为解决该挑战,机器人和自动化技术被各界寄予厚望。

自动化

制药工业的自动化程度很低,这和汽车制造业形成鲜明对比。怎么才把自动化和机器人用于新药开发?

可以用微型流水线,像工业生产一样:细胞进来,像传送带那样送过去,机器人把不同的药物放到细胞上,同时对细胞进行测量——测量不同的靶点、不同药的作用。整个过程高度自动化。但和汽车制造不一样的是:汽车的零件尺寸是固定的,细胞不是。这要求机器人更智能化,对机器人的技术应用提出新的挑战。

超限机器人

随着机器人技术的发展,机器人从简单的代替人的能力,变成了扩展人的能力。正如刚才 Brad Nelson 教授讲的,机器人能突破人原本的物理尺度、距离、环境限制,进行操作和测量,这就是超限机器人。

现在所谓的纳米操作机器人,就可以在纳米尺度上,对纳米尺度的固体进行操作和测量。

但仅仅有纳米机器人还不够:要把纳米尺度的环境显示出来,这样人才能看见、才能进行操作。我们发现一种技术能纳米尺度下进行成像,产生像电影一样的实时图像。对此,我们利用了压缩感知的原理。因为尺度太小,又要高速的对环境进行测量,光学是看不见的,要用原子力显微镜、电子显微镜。

应用 1:揭开皮肤病(牛皮癣)的病因

人体上皮细胞与细胞之间有一种蛋白质,那个蛋白质叫 Desmosome。若它被破坏,皮肤表面就会形成很多水泡,很痒,会烂,还会产生其他免疫疾病。但医学界不知道是什么机制把 Desmosome 破坏了,导致皮肤病。有的猜想是抗体,也有的猜是人体信号传导。由于环境太小,很难做验证。

但用纳米机器人,这个疑团很容易就解开了:用纳米机器人切开 Desmosome 以后,并没有导致水泡产生,证明这不是机械作用产生的疾病,而是信号传导的过程出了问题。

(这里仅对技术实现做概述,以下同。席宁老师报告的完整版,请关注雷锋网的后续整理的讲座全文+ppt 报道)

应用 2:研究干细胞的分解

干细胞的重要性无须赘言。预测它什么时候分解、在什么条件下分解,对分解的状态进行测量,是非常难的事。但纳米机器人可以测量其机械状态。

有一个很成功的应用,是治疗淋巴癌的一种靶点治疗药物名为药美罗华。这种治疗本身很好,没有副作用,但存在一个严重的问题:有的病人使用有效,有的无效,医生不知道是什么原因。无效的情况会耽误病人的宝贵治疗时间。

后来用纳米机器把靶点癌细胞抓出来进行研究,测量癌细胞结合力。发现只有当结合力达到一定时候,才会有作用。从此以后,医生能够在治疗前通过分析癌细胞对疗效做预测,其临床意义非常重大。

应用 3:研究细胞黏合力

对于假肢,现在有一种成功的方法:把一个钢管插到骨头里,这样等于长在身体里一样,假肢效果跟真人一样,但是跑得比真人快。

但是,这里面有一个很大的问题:铁管(钢管)插到腿里面,皮要长在钢管外面会产生缝隙,那个缝隙会有细菌进去,引发局部感染,时间长了以后会引起骨头感染,最后还要把这个东西取掉。即便这样,有人做三四次手术还要做,因为这种假肢效果非常好,安上看不出来,对生活和各种活动影响很小。

于是研究人员就研究细胞和假肢之间的黏合力,希望找出一系列让它们黏合得很好的方法,防止感染,其临床意义非常重大。

这个课题很难,现在的突破口使用纳米机器人测量粒子通道电流的信号,来实现对细胞黏合力的测量。

总结

  人类和疾病之间的斗争,现在已经到了分子和细胞的尺度。开发药物和新的诊断治疗方法,必须得有手段在分子和细胞的尺度上进行测量和操作,把传统的手术从器官的水平缩小到分子和细胞的水平。雷锋网(公众号:雷锋网)

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