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本月發表在《自然材料》上的研究從自然界的合作中汲取了教訓，包括在昆蟲群中觀察到的現象，旨在為癌症治療開發更有效的靶向方法 [1]。“智慧”抗癌藥物系統可以利用類似於群體智慧的機制來定位人體內的病灶。當群體行為，例如蜜蜂協同飛行和工作以尋找食物來源，被群體用於“以個體無法做到的方式集體解決問題”時，便產生了群體智慧 [2]。
昆蟲群的確常常能為共同的任務或問題找到“比最先進的數學方法得出的方案更優”的解決方案 [2]。當麻省理工學院的 Geoffrey von Maltzahn 等研究人員從群體行為和自然界中其他合作的例子中汲取靈感（圖 1）時，他們設計的工程系統有望徹底革新多種癌症的診斷和治療。群體或“群”體的問題解決能力甚至可以應對在包含超過 100 萬億個非癌細胞的人體中，定位少量癌細胞團的任務！
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Geoffrey von Maltzahn 及其同事設計了一種由特殊奈米顆粒組成的兩部分系統，這些奈米顆粒可以相互通訊，從而增強藥物向病灶部位的輸送（圖 2）。奈米顆粒是非常微小的物質，其尺寸小於人類頭髮平均寬度的千分之一，可以與單個的人體細胞、蛋白質甚至單個分子相互作用。奈米顆粒的形狀、大小和表面性質也可以被改造，使其能在血液迴圈中停留足夠長的時間，並主要積聚在腫瘤組織中，因為腫瘤組織的血管比正常組織更具滲漏性。
因此，奈米顆粒是將藥物輸送到病灶部位的理想載體。然而，即使單個奈米顆粒配備了能優先引導它們到達癌細胞和腫瘤組織的“歸巢”分子，其靶向效率仍有待提高。靶向效率是衡量奈米顆粒在癌組織中富集程度的指標。
通常情況下，為了在小的、深層的腫瘤中達到最低治療水平，必須向實驗動物體內輸注數萬億個載藥奈米顆粒 [1]。這造成了奈米顆粒製劑和藥物化合物的巨大浪費，這些製劑和化合物不僅昂貴且通常難以製備，而且當以如此高劑量注射時，還可能對身體的健康組織造成損害。
儘管人們已經設計出許多方法來提高奈米顆粒在疾病診斷和治療中的靶向效率，Geoffrey von Maltzahn 及其同事可能已經提出了迄今為止最巧妙的解決方案。他們創造了“偵察”或訊號奈米顆粒，這些顆粒可以為定位活體小鼠體內的腫瘤鋪路，然後將腫瘤位置資訊傳遞給接收奈米顆粒，也就是“群”體的其餘部分。這種機制類似於蜜蜂的邏輯，蜂群能夠“直接飛向由（蜜蜂）偵察兵識別出的目標”[2]。
一旦訊號奈米顆粒識別出腫瘤的存在，它們就會向載藥的接收奈米顆粒傳送訊號，廣播腫瘤部位 [3]。透過這種方式，僅一個偵察奈米顆粒就能招募超過 150 個載藥接收奈米顆粒，相當於超過 35,000 個獨立的藥物分子。這是一個驚人的放大效應，類似於單隻“領頭”或偵察蜂如何召集整個蜂巢的同伴前往覓食點。
圖 2. 左：由 Paige Brown 編譯，素材來自 ClipArt & Wiki commons。右：圖片來源：Ji Ho (Joe) Park 博士。一種由脂質體（白色圓圈）和金奈米棒（黑色）組成的協同奈米系統。
另一個類比是，《完美群體》的作者 Len Fisher 指出，小型軍事團隊的領導力可以使整個軍隊產生“群體行為”效應。正是這種群體行為，其中各組分之間的訊號傳遞呈級聯式的通訊鏈，幫助雙組分訊號-接收奈米顆粒系統增強藥物向癌性病灶的輸送。Geoffrey von Maltzahn 及其同事設計的奈米顆粒透過凝血級聯相互通訊，凝血級聯是一個複雜的生物學反應級聯，它能使血液形成凝塊並防止過度出血。
由金奈米棒組成的訊號奈米顆粒透過腫瘤部位的光啟用加熱來啟動血液凝固過程。當醫學研究人員將近紅外雷射照射到活體小鼠的腫瘤部位時，金奈米棒迅速升溫，並透過熱損傷腫瘤血管啟動血液凝結。載藥脂質體奈米顆粒（即接收器）隨後透過促進凝血級聯反應末端附近的一個步驟來對這種凝血級聯做出反應，該步驟產生纖維蛋白，纖維蛋白是一種形成傷口血凝塊網狀結構的鏈狀蛋白質。
透過這種通訊機制，接收脂質體奈米顆粒，作為抗癌的“部隊”，被少量訊號或偵察金奈米棒顆粒吸引到腫瘤部位（圖 2）。凝血是生物學中高度保守的過程，因此透過這種途徑進行通訊的奈米顆粒可以幫助改進針對廣泛動物和人類群體的癌症靶向療法。
Geoffrey von Maltzahn 等人在《自然材料》雜誌上發表的研究結果表明，相互通訊的奈米顆粒比不通訊的奈米顆粒能夠向腫瘤輸送高出 40 倍以上的化療藥物（抗癌藥物）劑量。這些結果表明，奈米顆粒通訊具有增強藥物輸送的潛力，使其超越了單獨工作的奈米顆粒所能達到的效果，這與昆蟲群體的整體表現優於單個昆蟲的獨立行動類似。
儘管還需要進一步的實驗和臨床前研究來驗證透過凝血等複雜途徑進行的奈米顆粒通訊對人體是否安全，以及是否會產生不可預見的副作用，但將群體智慧應用於癌症靶向治療，無疑為改進療法帶來了巨大的潛力。
參考文獻
[1] Geoffrey von Maltzahn 等人. Nanoparticles that communicate in vivo to amplify tumour targeting. 《自然材料》10, 545–552 (2011) doi:10.1038/nmat3049
[2] 《完美群體：日常生活中的複雜性科學》，Len Fisher 博士，Basic Books，2009
[3] Yucai Wang, Paige Brown & Younan Xia. Nanomedicine: Swarming towards the target. 《自然材料》10, 482–483 (2011) doi:10.1038/nmat3060
關於作者：Paige Brown 近期在聖路易斯華盛頓大學獲得了生物醫學工程博士學位。她還擁有路易斯安那州立大學生物與農業工程專業的理學學士和碩士學位。她計劃在 2012 年返回路易斯安那州立大學，繼續攻讀新聞學高階學位。Paige 是科普部落格“From The Lab Bench”的作者，該部落格託管於 Nature Network 平臺。雖然她的職業是科學家，但她內心深處是一名作家。您可以在 Twitter 上關注她。
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