可对生物靶标群起而攻之 智能DNA分子纳米机器人模型来了

  智能DNA分子纳米机器人模型以短的单链DNA为骨架,长度通常为100个左右的核苷酸,通过自身折叠形成纳米尺度的结构。在试管液体环境下,智能DNA分子纳米机器人会自动识别目标生物分子,然后迅速集结展开“围攻”,实现对目标生物分子的捕获和信号放大,有助于研究人员对其快速追踪。

  我们所熟知的机器人都是“钢铁战士”,帮助人类完成高危、高难度的工作。如今,生命的遗传物质——脱氧核糖核酸(DNA)为纳米机器人缔造了“血肉之躯”,刷新了人们的认知。

  近日,中国科学院合肥物质科学研究院杨良保研究员课题组与安徽大学等机构合作,构建出了可非线性云集“围攻”生物靶标分子的智能DNA分子纳米机器人模型。有关论文发表于纳米材料领域顶级期刊《纳米视野》。

  用DNA分子造个机器人

  早在20世纪中期,国外学者就提出了分子机器的设想,预测未来只要把纳米机器人放进人体的血液中,它们就能自动抵达病灶,进行手术,治疗疾病。然而,构筑这样的机器人并不容易。超分子化学领域经历50多年的发展,已经可以制备出颇为精巧的“分子马达”“分子算盘”“分子汽车”等人工分子机器。尽管如此,这些人工分子机器无论是其功能性还是多样性,都难以匹敌自然界的分子机器,如蛋白质等。

  作为遗传物质的DNA,有着令人叹为观止的精准组装能力。20世纪80年代,国外学者提出利用DNA分子构建各种具有纳米尺度形状和结构的聚集体的想法,并将其发展成为一个富有活力的DNA纳米技术领域。“这种技术将DNA分子的组装能力发挥得淋漓尽致。结合核酸适配体、核酶、各种刺激响应DNA基元以及DNA链交换反应,人们甚至可以让DNA纳米结构‘动’起来,并在物质和能量的输入下,实现计算、行走、搬运、整理等多种功能。”论文第一作者、安徽大学生命科学学院教师李绍飞表示。

  李绍飞告诉科技日报记者,DNA纳米机器人将纳米尺度的DNA作为结构基础。合理设计DNA分子,可以构筑成具有步移、结构开合、靶标捕获等动态功能的DNA纳米机器人,可应用于分析化学、医学诊断和疾病治疗等多个领域。

  李绍飞说,DNA纳米机器人体积小、特别适用于狭窄的人体循环系统的药物靶向递送。“让DNA纳米机器人靶向递送药物,到达指定地点,定向治疗炎症或清除肿瘤,同时减少在正常组织或细胞的分布,是医学纳米技术的终极目标之一。”李绍飞说。

  不仅能精准送药还能“杀敌”

  “DNA是由4种核苷酸为基本单位连接而成的生物分子序列,特定的核苷酸之间可以相互配对结合。”李绍飞介绍,核苷酸的自身作用力和序列的可编程性,以及快速发展的DNA合成和修饰技术,为DNA纳米机器人行使药物靶向递送功能奠定了基础。

  “将识别和结合肿瘤细胞的分子,包括核酸适配体、肽、抗体和生物小分子等,通过化学方法与DNA连接,就宛如为DNA纳米机器人装载了‘定向导航系统’,可发挥机器人的靶向功能。”李绍飞说,同样,将抗肿瘤药物,包括功能核酸、化疗药物、蛋白质、多肽和纳米颗粒等与DNA结合,可发挥DNA纳米机器人的药物负载和递送功能。

  李绍飞介绍,在传统的药物递送系统里,药物经血液循环,被动到达有效部位的效率非常低。大剂量的使用药物,将在全身产生严重的毒副作用。而DNA纳米机器人,通过与环境作用自我驱动,可将药物有选择地运送到靶向部位,提高靶向部位的药物浓度。

  “由于DNA序列具有良好的生物相容性、相对的化学稳定性,因此DNA纳米机器人也具有这些特点,且还具有药物包裹和药效保护、提高肿瘤细胞对药物的摄取效率等多种独特功能。”李绍飞说。

  “在试管液体环境下,智能DNA分子纳米机器人会自动识别目标生物分子,然后迅速集结展开‘围攻’,实现对目标生物分子的捕获和信号放大,有助于研究人员对其快速追踪。”李绍飞说,这就像一只蜜蜂盯上了目标物,然后召唤其他蜜蜂不断围攻,形成容易被发现的聚集群一样。

  李绍飞介绍,智能DNA分子纳米机器人模型以短的单链DNA为骨架,长度通常为100个左右的核苷酸,通过自身折叠形成纳米尺度的结构,其形状类似于一个发夹。

  智能DNA分子纳米机器人模型由多功能机械臂和备选附件(药物、信号标签、靶标钳夹等)、靶标验证器、智能云集路径控制器和自组装马达等部件组成。每个部件都有各自的“使命”。例如,多功能机械臂可以从混合物中抓取目标分子,然后由靶标验证器检验抓取目标的正确性。在抓取和识别到正确的目标分子后,机器人开始在路径控制器的引导下,按照非线性的路径方式云集,并依赖自组装马达驱动机器人完成云集组装,最终形成大的组装体。当这些部件完成各自“使命”时,目标分子充分“暴露”,只能乖乖“束手就擒”。

  补齐短板方可迎来广阔前景

  早在1959年,诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼就提出了纳米机器人的设想,这是药物靶向递送纳米机器人概念的起源。20世纪90年代,纳米技术的兴起,不断推动纳米机器人的发展。2017年,美国科研人员在《科学》杂志上发文,介绍了一款具有分拣功能的DNA纳米机器人,它可以抓住某些分子,并且将它们释放到指定的位置上,这是DNA机器人的重要一步。2018年,我国国家纳米科学中心设计出一种DNA纳米折纸机器人,可携带药物准确寻找到癌细胞的藏身之处。

  “无论是国内还是国外,对DNA纳米机器人的研究仍处于初级阶段,距离临床应用还有很长的路要走。”李绍飞认为,虽然经过几十年的研究和发展,DNA纳米机器人作为新型药物靶向递送系统,不断取得突破。然而,为了满足生物医学应用的实际需求, 纳米机器人在生物安全性、体内跟踪导航、递送效率、可持续地精确操控以及其他方面仍然存在诸多挑战。

  李绍飞表示,他们研究团队成员分别将肿瘤细胞小分子和外泌体等作为靶标,成功对靶标实现了追踪,初步验证了智能DNA分子纳米机器人模型的应用性能。

  尽管目前已经创新了方法原理,并且建立了模型,但李绍飞坦言:“考虑到DNA分子运动的复杂性和表征手段的局限性,以及生物样品的多样性,对模型的应用性能探索空间还很大。”李绍飞表示,下一步,团队将重点优化智能DNA分子纳米机器人模型云集组装效率,并进一步整合优良的信号读出技术,挖掘其在DNA纳米技术、生化分析和生物医学中的应用潜能。

  “特别是针对当前流行传染性疾病,团队正着手探索利用智能DNA分子纳米机器人模型进行超灵敏诊断的可行性。”李绍飞表示,随着计算机科学、材料学、机器人学和医学等学科的发展和学科交叉的融合进步,智能DNA纳米机器人在药物靶向递送中必然拥有广阔的前景和发展空间。

  来源:科技日报

第六届世界智能大会:中国的健康管护组织将蓬勃兴起

6月24日,第六届世界智能大会数字健康高峰论坛在线召开。本届论坛以“数字新健康 创造新未来”为主题,聚焦“互联网医院”“数字抗疫”“健康医疗大数据”“智慧医院”“智能医学”等议题,发布了一系列数字健康行业的新成果、新研究和新模式。
其中,天津市基层数字健共体的实践成果和成熟模式,成为本届论坛最受关注的焦点议题之一。在第六届世界智能大会数字健康高峰论坛上,微医创始人、董事长兼CEO廖杰远以《医疗体系数字化升级的“天津实践”》为主题,分享了微医深入协助天津市创建“基层数字健共体”,实施医疗体系“三医联动”数字化升级的实践经验。
图片微医董事长兼CEO廖杰远主题演讲

随着近期中央网信办、农业农村部、国家发展改革委等五部委明确提出“引导地方探索基层数字健共体建设”,天津市基层数字健共体所代表的区域医疗体系数字化升级的“天津实践”有望加速走向全国。
天津实践:创建中国式健康管护组织
“天津实践可以简单归纳为‘4321’:四朵云、三医联、双平台和一目标。”
廖杰远介绍,以实现“从治病为中心到健康为中心”为整体目标,微医在天津市卫生健康委指导下,通过面向患者和医生的“数字健共体平台”,和面向药企、医院及服务医保的“北方药械联采平台”,应用数字化手段提升“三医联动”运行效率和水平,创建了贯穿居民“生命全周期、健康全过程”的健康管护组织和体系。
在此过程中,由天津微医互联网医院牵头,协同天津市16个区、266家基层医疗卫生机构组建的紧密型互联网医联体——天津市基层数字健共体于2020年4月全面启动建设。该数字健共体通过在基层医疗机构落地统一的云管理、云服务、云药房、云检查“四朵云”平台及线下标准化的慢病管理中心,为社区居民提供“防、诊、治、管、健”线上线下一体化的医疗健康服务。
图片“四朵云”驱动医疗体系数字化升级

“在天津市卫生健康委指导下,微医应用‘四朵云’驱动医疗体系数字化升级,构建天津市基层数字健共体,并立足266家基层医疗机构和2000多位家庭医生,向上连接二三级医院,向下服务近400万签约家庭医生的居民,从而实现了从标化诊疗到上下级医生的协同、CDSS诊疗过程的支持,以及对患者的全病程的管理和健康体征的监测。”
与此同时,廖杰远介绍,在天津市基层数字健共体的实践过程中,已在实施医保“整体打包付费”、“按病种和按人头打包付费”等支付方式,并在总额预算管理下根据医疗健康管理质量考核结果,落实“结余留用、超支不补”的激励约束机制和健康责任制,逐步构建起“以健康为中心”的新时代健康管护体系。
“这真正推动了我们的医疗从‘按量付费’到‘按效付费’,并达成了基层医疗机构能力提升、药品耗材采购成本降低和医保资金使用效率提高的实践成果。”廖杰远表示,天津市基层数字健共体的成功实践,表明以医疗联合体为主体架构、以云服务为底板平台的中国式健康管护组织和体系成型,并且极具发展前景。
实践成果:从治病为中心到健康为中心
“在帮助基层医院提能力、帮助大医院分压力和帮助医保提效率三个层面,天津实践都取得了显著成果。”
廖杰远介绍,以糖尿病患者管理为例,天津市基层数字健共体联合266家基层医疗机构,在大医院支持下,逐步为天津40多万糖尿病患者提供全程数字化管理服务。已管理患者中,血糖达标率提升了21.58%,基层医疗机构医保结余率达到了16%-28%。
图片糖尿病患者健康指标改善

具体到医疗体系数字化升级上,截至2021年12月底,天津市基层数字健共体内266家基层医疗卫生机构均已实现数字化升级,实现了基本医疗系统、基本公卫系统、家庭医生签约系统的数据全联全通,健共体运营监控管理统一。
现在,依托统一的“四朵云”平台,天津市基层数字健共体内的基层医疗卫生机构已实现处方内部流转、处方智能审核、医保结算、药品统一供应,并相继开通居家医疗服务;同时,天津市基层数字健共体已与70余家基层医疗机构建立标准化慢病管理中心,共同管理包括糖尿病患者、高血压患者在内的逾90万名慢病患者。
图片健共体标准化慢病管理中心

“数字健共体通过医疗体系数字化升级和‘三医联动’综合服务,让基层医疗机构的服务能力和水平得到实质性提升,代表性的数据就是基层医院门诊量的提升。”廖杰远介绍,在数字健共体的服务和支持下,天津市基层医疗机构门诊量最高时提升了280%。
此外,在实践过程中,天津市数字基层健共体逐步形成了“数字健共体平台+北方药械联采平台”双平台服务模式,其组织的首批多品种的药品联采价格综合降幅达19.51%,有效降低了各级医疗机构的药品、耗材采购成本,并通过“三医联动”综合服务显著提升了医保资金的使用效率。
走向全国:五部委共推“基层数字健共体”
因建设成效及示范效应突出,早在2021全国深化医改经验推广会上,天津市基层数字健共体即入选“推进医改 服务百姓健康十大新举措”首位;同时,数字健共体于2021年和2022年两度纳入天津市“互联网+医疗健康”示范项目,预期将在2022年底实现天津市基层网底全覆盖。
现在,天津实践的数字健共体模式有望进一步走向全国。4月20日,中央网信办、农业农村部、国家发展改革委、工业和信息化部、国家乡村振兴局联合印发《2022年数字乡村发展工作要点》(以下简称《工作要点》),部署了10个方面30项重点任务。
图片2022年数字乡村发展工作要点

其中,针对发展“互联网+医疗健康”的重点任务,《工作要点》明确指出,“构建权威统一、互联互通的全民健康信息平台,推动各级各类医疗卫生机构纳入区域全民健康信息平台。稳步推进医疗机构信息系统集约化云上部署。推进‘互联网+医疗健康’‘五个一’服务行动,继续加强远程医疗服务网络建设,推动优质医疗资源下沉。引导地方探索基层数字健共体建设。”
对此,结合我国医改有关文件精神和健康管护组织理念及运营经验,廖杰远表示,微医在天津的数字健共体建设成果,已经被验证为一个代表性实践,期待医疗体系数字化升级的“天津实践”,能够成为“天津经验”走向全国,用新一代信息技术重塑医疗卫生的管理和服务体系。
“未来,中国的健康管护组织将蓬勃兴起。”廖杰远说。

【#肚子上赘肉多要祛寒#】寒为阴邪,易伤阳气,当体内阳气少了,温煦脏腑的力量就弱了。我们人类,天越冷干活就越不灵活。体内寒气重,脾胃、大小肠的运作慢了,吃进去的东西难消化,都堆积起来了,身上的肉肉也就多了起来。很多人肚子上赘肉多,其实就是寒气过重引起的。因此,想要减肉的朋友,要注意驱寒,不然即使减下来了,也会很快反弹的。[允悲]


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