香港大學席寧：談談醫療納米機器人的三大成功案例 | CCF-GAIR 2017

7 月 7 日，由中國計算機協會（CCF）主辦，雷鋒網、香港中文大學（深圳）承辦的第二屆 CCF-GAIR 全球人工智能與機器人峰會，在深圳如期開幕。在大會第三天的醫療機器人專場，機器人領域著名學者香港大學席寧教授，向與會嘉賓進行了主題報告——《用于生物醫學和制藥的納米機器人》。

席老師是香港大學機器人與自動化講席教授、IEEE RAS候任主席，主要研究方向包括機器人、制造自動化、微/納米制造、納米傳感器和設備，以及智能控制與系統等。

納米機器人的角色

眾所周知，醫療有診斷和治療這兩大方面：診斷是對人體的各種異常現象進行測量；治療，在工程機器人的角度是操作。納米機器人既可用于診斷也可用于治療，即 sensing 和 manipulation，傳感測量和操作。

隨著醫學發展，診斷和治療需要新的手段，在更小的尺度上進行 sensing 和 manipulation。這就是現在的全新診斷、治療方式：在微米、納米尺度上診斷病情，用納米機器人在細胞、分子（比如 DNA 分子）層次做手術。

制藥方面，傳統上，新藥開發以靶點為基礎。這里面存在很多問題，所以現在新藥開發的規范是 signaling pathway based，全面考察疾病和各種因素之間的關系，對副作用考慮更周全。這個層次進行新藥開發，需要新的手段和技術。在分子和細胞的層次上進行 sensing 和 manipulation 就成了一大技術支持。

挑戰：新藥開發成本持續上升

現在，研發一個新藥物需要 10 到 15 億美元，10 年才能開發出來。新藥開發的投資每年不斷增長，但是藥的數量基本上持平，說明新藥出現的很少，成本不斷提高。這導致投入產出差距越來越大。更嚴重的是，醫學界發現的新疾病在不斷增長，但藥的數量并沒有。這一難題日益凸顯，業內將其稱為 Pharma innovation gap（制藥領域的創新缺口），亟需新技術、新途徑改變現狀。

為解決該挑戰，機器人和自動化技術被各界寄予厚望。

自動化

制藥工業的自動化程度很低，這和汽車制造業形成鮮明對比。怎么才把自動化和機器人用于新藥開發？

可以用微型流水線，像工業生產一樣：細胞進來，像傳送帶那樣送過去，機器人把不同的藥物放到細胞上，同時對細胞進行測量——測量不同的靶點、不同藥的作用。整個過程高度自動化。但和汽車制造不一樣的是：汽車的零件尺寸是固定的，細胞不是。這要求機器人更智能化，對機器人的技術應用提出新的挑戰。

超限機器人

隨著機器人技術的發展，機器人從簡單的代替人的能力，變成了擴展人的能力。正如剛才 Brad Nelson 教授講的，機器人能突破人原本的物理尺度、距離、環境限制，進行操作和測量，這就是超限機器人。

現在所謂的納米操作機器人，就可以在納米尺度上，對納米尺度的固體進行操作和測量。

但僅僅有納米機器人還不夠：要把納米尺度的環境顯示出來，這樣人才能看見、才能進行操作。我們發現一種技術能納米尺度下進行成像，產生像電影一樣的實時圖像。對此，我們利用了壓縮感知的原理。因為尺度太小，又要高速的對環境進行測量，光學是看不見的，要用原子力顯微鏡、電子顯微鏡。

應用 1：揭開皮膚病（牛皮癬）的病因

人體上皮細胞與細胞之間有一種蛋白質，那個蛋白質叫 Desmosome。若它被破壞，皮膚表面就會形成很多水泡，很癢，會爛，還會產生其他免疫疾病。但醫學界不知道是什么機制把 Desmosome 破壞了，導致皮膚病。有的猜想是抗體，也有的猜是人體信號傳導。由于環境太小，很難做驗證。

但用納米機器人，這個疑團很容易就解開了：用納米機器人切開 Desmosome 以后，并沒有導致水泡產生，證明這不是機械作用產生的疾病，而是信號傳導的過程出了問題。

（這里僅對技術實現做概述，以下同。席寧老師報告的完整版，請關注雷鋒網的后續整理的講座全文+ppt 報道）

應用 2：研究干細胞的分解

干細胞的重要性無須贅言。預測它什么時候分解、在什么條件下分解，對分解的狀態進行測量，是非常難的事。但納米機器人可以測量其機械狀態。

有一個很成功的應用，是治療淋巴癌的一種靶點治療藥物名為藥美羅華。這種治療本身很好，沒有副作用，但存在一個嚴重的問題：有的病人使用有效，有的無效，醫生不知道是什么原因。無效的情況會耽誤病人的寶貴治療時間。

后來用納米機器把靶點癌細胞抓出來進行研究，測量癌細胞結合力。發現只有當結合力達到一定時候，才會有作用。從此以后，醫生能夠在治療前通過分析癌細胞對療效做預測，其臨床意義非常重大。

應用 3：研究細胞黏合力

對于假肢，現在有一種成功的方法：把一個鋼管插到骨頭里，這樣等于長在身體里一樣，假肢效果跟真人一樣，但是跑得比真人快。

但是，這里面有一個很大的問題：鐵管（鋼管）插到腿里面，皮要長在鋼管外面會產生縫隙，那個縫隙會有細菌進去，引發局部感染，時間長了以后會引起骨頭感染，最后還要把這個東西取掉。即便這樣，有人做三四次手術還要做，因為這種假肢效果非常好，安上看不出來，對生活和各種活動影響很小。

于是研究人員就研究細胞和假肢之間的黏合力，希望找出一系列讓它們黏合得很好的方法，防止感染，其臨床意義非常重大。

這個課題很難，現在的突破口使用納米機器人測量粒子通道電流的信號，來實現對細胞黏合力的測量。

總結

  人類和疾病之間的斗爭，現在已經到了分子和細胞的尺度。開發藥物和新的診斷治療方法，必須得有手段在分子和細胞的尺度上進行測量和操作，把傳統的手術從器官的水平縮小到分子和細胞的水平。雷鋒網

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