中科院研究员刘连庆：纳米操作机器人如何应用在淋巴癌等个性化治疗中？|

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雷锋。(公开号码:雷锋。记者:近日，2017年世界机器人大会人工智能和机器人青年创新创业论坛在北京举行。本次论坛由中国电子学会嵌入式系统与机器人分会主办，瑞亚资本、正格基金和立德共同主办，得到了许多大学、风险投资机构和新企业的支持。

在下午的论坛主题演讲中，中国科学院沈阳自动化研究所研究员刘连青教授发表了题为《微纳操作及其在个性化医学中的应用》的演讲。

以下是刘连青教授和雷锋讲话的内容。com做了一个不改变初衷的编辑:

我今天的话题主要是关于医疗。这是一个统计表，一个是美国汽车工业协会，另一个是美国制药协会。整个医药行业的市场价值远远高于汽车行业，这也符合市场巨大的基本假设。可以想象，在接下来的几十年里，一个家庭可能没有汽车，但很难想象一个家庭没有药物，如阿司匹林和降血糖药，这些药物现在被稍年长的人使用。

今天，我们将讨论如何将微纳技术与医药行业的发展结合起来。我是一个纳米机器人。让我来介绍一下什么是纳米机器人。有许多工业机器人，它们以高速和高效率将结构化物体组装成所需的形状。然而，随着规模的缩小，借助显微镜可以看到细胞，所以现在我们制造了显微操作机器人，这是比较少见的。

但事实上，20世纪后几乎所有的生物学突破都是基于微操作技术，如基因、克隆等，而且规模还在进一步缩小。现在我们看到低因子分子看到碳纳米管，我们需要另一种工具来实现对它们的操控。纳米看不见，摸不着。有了纳米操作机器人，你不仅可以看到纳米，还可以触摸纳米。

举个例子，当一个人切割活神经细胞并进行纳米操作时，他不仅可以看到纳米场景的实时变化，还可以通过跳跃反馈手柄反馈切割活细胞需要多大的重力。当然，在细胞膜上打孔，以各种方式，通过机械手段，就是推动直径只有2纳米左右的dna分子。当推动它时，我们不仅可以看到dna分子的实时变化，还可以感觉到推动一个dna分子需要多大的重力。

让机器人帮助人们做人们可以做但不想做的事情，并进一步拓展和提升人们的能力。让机器人帮助人们做人们想做但不能做的事情。我认为这是纳米操作机器人对机器人的贡献。

我能用这个机器人系统做什么？我们希望与新药的开发相结合。在这幅图中，红线代表新药研发的年度投资，而绿线代表新药的年度产量。投入的资金越多，药物就越少，如果有另一个轴心，新的疾病就会越来越多。

现在，整个医药行业迫切需要新技术来弥补投入和产出之间的差距。我们不要谈论生产新药的过程。10，000种化合物中只有一种合格，没有一种是幸运的。辉瑞几年前关闭研发中心的原因是因为药物研发的失败，这将花费大约15亿美元。这是一个基本背景。

药物研究失败的主要原因是疗效和毒性。这种药对某些人不起作用，但对其他人不起作用。这种毒性可能对心脏病有好处，但会伤害肝脏。当人们现在买药时，他们经常看到“糖尿病患者应该慎用，而心脏病患者应该慎用。”这种药在治疗中很有用，但它也有一些副作用，会杀死其他细胞。我们引进了微纳操纵技术，并在这两个领域做出了一些贡献。

个性化医疗，主要针对淋巴瘤，与北京307医院合作。癌症是第一杀手，每个人都很熟悉它。化疗和放疗是癌症的常规疗法。放疗和化疗的效果是好的，但是它的问题是副作用太大。高能射线轰击照射不仅杀死肿瘤细胞，而且杀死所有正常细胞，导致牙齿脱落、脱发、内分泌紊乱等。

后来，一种新的靶向治疗被开发出来。其基本原理是以淋巴瘤为例。淋巴瘤细胞表面有一种抗体cd20。这种药物是cd20的抗原，抗体和抗原之间的相互作用会杀死细胞。由于大多数抗体只存在于癌细胞表面，人们吃这种药物，它像生物导弹一样粘在癌细胞上，对正常细胞没有影响。这种药取得了巨大的成功。但问题是，有些人工作，有些人不工作。

著名中央电视台的罗京先生在307医院接受了治疗。他对这种药物没有任何效果，这种药物非常昂贵，一周要花费数万英镑。医生不知道他们是否应该给病人使用这种药。对于像罗静这样经济条件较好的人来说，他们总是使用它。对于普通人来说，如果他们一周成千上万，他们会下降几个星期。

当医生来找我们时，有什么方法可以研究为什么有些人工作而有些人不工作？这是一个非常复杂的生物学问题。我们应该简单地通过工程来思考这个问题，并依靠抗体和抗原之间的相互作用来杀死癌细胞。有些人有效，有些人无效。细胞表面抗体的密度不同吗？密度越高，粘在上面的药物越多，效果越好，或者抗体和抗原之间的结合力不同，而且结合力越大，效果越好，所以我们有这样一个基本假设。

我们认为，最终，药物疗效不能脱离牛顿定律，它仍然应该是一个物理学可以解释的问题。这就转化为我们如何在液体环境中检测活细胞表面上只有几纳米大小的抗体，以及我们如何测量甚至不是纳米级的抗体和抗原的力量。我们已经做了很多工作，我只是汇报了结果，我就不介绍细节了。

通过对机器人的研究，我们可以精确地测量抗体和抗原在活细胞表面的作用力，这也称为单分子重力。取出细胞后，我们还可以表征细胞表面抗体的密度，从临床上获得大量的细胞，这就是个性化的医学。

第一个发现是，它与力的大小没有特别的关系，但与密度密切相关。密度越高，效果越好。所有的生物实验都必须经过数百次测试。但是当我们在测试中发现另一个问题时，我们取了活组织检查细胞，癌细胞被正常的红细胞淹没了，所以我们只想测量癌细胞，但不想测量红细胞。如何有效地分离细胞，我不想介绍几百万个流式细胞术，荧光染色。

我们用物理分离的方法将光子打到物体表面，并根据动量定理实现物体的运动。它的问题是光强度非常大，并且在操作电池时容易烧伤电池。我们需要一种方法在不影响细胞的情况下分离它。

我们已经完成了光电镍的操作方法，从光能到电能到机械能，力是光的形状。光的强度只有轻镍的千分之一，但重力是一样的。利用这种光，我们进一步发现，由于细胞的不同特性，同一束光对正常细胞和癌细胞施加不同的力。调整电的频率和光强度只能促进癌细胞，而不能促进正常细胞。反复扫来扫去可以分离癌细胞的正常细胞。

此外，如果你仔细观察，你会发现癌细胞正在高速旋转。旋转的原因是癌细胞的急性细胞和正常细胞不同。这给了我们一个启示，我们是否可以利用癌细胞的自旋来做癌症的早期检测，在急性变化开始时，并且在急性表面上有抗体抗原，这样我们就可以用荧光的方法来检测物理学本身的特性。

它已经在以前的癌变周期中显示出来，比如心电图，我们有细胞的电描记图。每种电池类型的同向旋转共振频率是不同的。制作了四种类型的癌细胞，这四种类型的细胞被不同的频谱很好地分离。每个细胞在共振时以不同的频率旋转，所以我们用这种方法来做癌症的早期检测。

简言之，我们首先通过血液动力学自旋提取血液用于癌症的早期检测，然后将其与数值结合，将其与正常细胞分离，并用纳米机器人测量分子密度和分子力。最后，有一个模型可以预测患者服用此药后的疗效。

从第一步到第六步，只有第一步和第六步需要医生来完成，第二步、第三步、第四步和第五步需要用工程方法来完成。这是一个完整的癌症早期检测和个性化医学的方法，直到结束。我们已经向各个方向投资了一些研究生，现在我们正在做这项工作。这是针对个性化治疗，如何实现更有效的治疗。

目前筛选的药物都是细胞筛选的，人体细胞是三维组织块，三维环境是相互联系、相互促进的。目前，新药筛选是一堆分散在试管中的细胞，它们不能构成三维连通性，导致不同的药物疗效预测。这是第一次。

第二，只看一种类型的细胞是错误的，但是治疗心脏病要依靠心肌细胞。一个基本的想法是观察心肌细胞、肝和肺细胞的生长和共培养，看看它们是否对心肌细胞有益，对其他细胞有害。

机器人微纳控制系统是第一步，它可以将细胞与水泥胶混合，并将其转化为三维组织块。光会形成什么形状，细胞最终会长成什么形状。细胞在三维空间中相互连接，更接近人体的形状。我不仅培养一种细胞，还培养几种细胞，每种颜色代表一种不同的细胞。刚才我有一个光电控制方法，我可以实时控制它。基本原理是水泥胶来了。首先，用同样的光束将细胞制成细胞块，组装在光电镍系统中。不同种类的细胞被组装在一起以模拟人类环境。

每个人都玩过俄罗斯方块。每个细胞代表一种不同的细胞，这些细胞可以自由组合在一起。它的优点是心肌、肝和肺。这样，当你添加另一种药物时，你会看到这些细胞的共同反应。最终，药物预测不仅仅是一个细胞反应，而是一个整体反应。如果它对心肌细胞非常好，但杀死所有其他细胞，这种药物太毒，我不建议它进入下一个临床试验。

几种细胞，一种颜色代表一种细胞。现在，三种细胞可以放在一起，所有三种细胞都可以存活，所以它们可以进入下一个临床试验。目前，该系统已初步应用于上海市药品监督管理局，并已应用于化合物的初步筛选。

许多投资圈对乔布斯非常熟悉。他说:“我们不能跑到冰球已经存在的地方，但我们必须跑到冰球将要滑动的地方。”我离这个行业有点远。我们在微纳研究中有很多基础研究。如果真正的基础研究不能带来突破，那就是基础研究，但如果有一天能带来突破，那一定是一个大突破。

*雷锋报道。

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