香港大學席寧：談?wù)勧t(yī)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(xié)會（CCF）主辦，雷鋒網(wǎng)、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(yī)療機器人專場，機器人領(lǐng)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(yī)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(shè)備，以及智能控制與系統(tǒng)等。

納米機器人的角色

眾所周知，醫(yī)療有診斷和治療這兩大方面：診斷是對人體的各種異常現(xiàn)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(yī)學發(fā)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(xiàn)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(shù)。

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

挑戰(zhàn)：新藥開發(fā)成本持續(xù)上升

現(xiàn)在，研發(fā)一個新藥物需要 10 到 15 億美元，10 年才能開發(fā)出來。新藥開發(fā)的投資每年不斷增長，但是藥的數(shù)量基本上持平，說明新藥出現(xiàn)的很少，成本不斷提高。這導致投入產(chǎn)出差距越來越大。更嚴重的是，醫(yī)學界發(fā)現(xiàn)的新疾病在不斷增長，但藥的數(shù)量并沒有。這一難題日益凸顯，業(yè)內(nèi)將其稱為 Pharma innovation gap（制藥領(lǐng)域的創(chuàng)新缺口），亟需新技術(shù)、新途徑改變現(xiàn)狀。

為解決該挑戰(zhàn)，機器人和自動化技術(shù)被各界寄予厚望。

自動化

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

可以用微型流水線，像工業(yè)生產(chǎn)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(shù)應(yīng)用提出新的挑戰(zhàn)。

超限機器人

隨著機器人技術(shù)的發(fā)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(huán)境限制，進行操作和測量，這就是超限機器人。

現(xiàn)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(huán)境顯示出來，這樣人才能看見、才能進行操作。我們發(fā)現(xiàn)一種技術(shù)能納米尺度下進行成像，產(chǎn)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(huán)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(yīng)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(zhì)，那個蛋白質(zhì)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(chǎn)生其他免疫疾病。但醫(yī)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(huán)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(chǎn)生，證明這不是機械作用產(chǎn)生的疾病，而是信號傳導的過程出了問題。

（這里僅對技術(shù)實現(xiàn)做概述，以下同。席寧老師報告的完整版，請關(guān)注雷鋒網(wǎng)的后續(xù)整理的講座全文+ppt 報道）

應(yīng)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(tài)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(tài)。

有一個很成功的應(yīng)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(yī)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(jié)合力。發(fā)現(xiàn)只有當結(jié)合力達到一定時候，才會有作用。從此以后，醫(yī)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(yīng)用 3：研究細胞黏合力

對于假肢，現(xiàn)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(chǎn)生縫隙，那個縫隙會有細菌進去，引發(fā)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(shù)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(xiàn)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(xiàn)對細胞黏合力的測量。

總結(jié)

  人類和疾病之間的斗爭，現(xiàn)在已經(jīng)到了分子和細胞的尺度。開發(fā)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(tǒng)的手術(shù)從器官的水平縮小到分子和細胞的水平。雷鋒網(wǎng)

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