ScienceDaily (Sep. 12, 2008) — 科學家開發出一種奈米尺度的「貨輪（cargo ships）」，它可以透過血管而穿梭在人體內各個地方而不會被人體內的免疫雷達系統偵察到，並且他可以將它所攜帶的貨物，如抗癌藥物或標記（markers）打到沒有被處理到或沒有被偵測到的腫瘤內部。
圖1. A vial of anti-cancer nano ships glows red under a black light. The particles glow red because they contain fluorescent "quantum dot" nanoparticles.
來自 UC San Diego，UC Santa Barbara 及 MIT 的科學家們發表了一篇研究論文，當中提到他們使用一種整合了治療及診斷功能的奈米貨輪（nano-cargo-ship）於單一裝置上的系統，它能避開來自人體自然的免疫系統。
「這個點子包含了在膠囊中將顯影劑以及藥物裝入，然後送到一艘提供保護的 “母船（mother ship）” 中，如果不這樣做，那麼船上所攜帶的 “彈頭” 將在無保護的狀態下掉出來。這艘母船直徑只有 50 奈米那麼大，或是相當於比人類頭髮直徑還小一千倍左右，在它的表面上裝載有一個分子陣列，如此便能在人體內發現及穿透腫瘤細胞。」Michael Sailor 這麼說到，他是 UCSD 化學及生物化學教授，他帶領了一群由化學家、生物學家以及工程學家所組成的團隊，他們專門將一些天馬行空的概念付諸實現。
圖2. Professor Michael J. Sailor
這些必須在顯微鏡下才看得到的貨輪有一天將會變成一種能將抗癌藥物高效率的送到癌細胞當中，使癌細胞內部充滿高濃度的藥物卻又不傷及身體其他部位的載體。
「其實有許多的藥物在實驗室裡面都是被寄予厚望的，不過在人體內卻又變得無用武之地，這是因為它們多半無法抵達生病的組織部位，或是它根本就達不到能發揮藥效的濃度。」Sangeeta Bhatia 這樣說到，她是一位醫生，同時也是 MIT 內 Health Sciences and Technology 的生物工程教授，她在這項研發過程中扮演重要的角色。「這些藥物根本就沒有能力去規避掉我們身體內部的天然防禦系統，或是去區分出它想要攻擊的目標與健康的組織有什麼不同。此外，我們也缺少了一些能夠偵測像癌症這種在早期發展階段時的工具，如果能夠在發展變成癌症的早期階段就投與治療，那效果就會大大提升了。」
圖3. Sangeeta Bhatia M.D., Ph.D.
因此研究人員便開始設計一種船體的外殼來躲避掉或騙過偵測，他們利用一種特殊修飾過的脂肪鏈（lipids）來達到這個目的 － 這種脂肪鏈是一種存在於自然細胞表面上的成分之一。他們將這種脂肪鏈加以修飾，使它們在被分解之前能夠在血管中循環好幾個小時。這可是研究人員們犧牲了好幾組小鼠實驗之後才有的成果。
當然，研究人員也設計了船身的物質，使它強壯到能夠防止在血管中航行時由貨輪所釋放出來的意外事件。而在船身的表面是一種稱為 F3 的蛋白質，這種分子可以和癌細胞相互黏合。Erkki Ruoslahti 他是 UC Santa Barbara 內 Burnham Institute 的細胞生物學教授，在他的實驗室裡面製備 F3 這個分子，F3 是一種在腫瘤細胞表面的一種專一性分子，它可以將自身轉移進入細胞核中。
圖4. ERKKI RUOSLAHTI, M.D., PH.D.
Ruoslahti 教授說到：「我們目前已經開始在建構新一代更聰明的腫瘤搜尋奈米載體了。我們希望這些裝置能夠促進癌症影像的診斷並且能精確的找到我們想要加以處理的那些癌化腫瘤。」
接著，在研究人員準備將這些貨輪注入小鼠體內之前，他們得先將三種 “彈頭” 裝載上去。保含兩類型的奈米顆粒，超順磁性氧化鐵（superparamagnetic iron oxide，簡稱 SPIO）以及螢光量子點（fluorescent quantum dots），這些東西將連同抗癌藥物 doxorubicin 一同裝載在貨輪裡面。氧化鐵奈米粒子能讓整艘貨輪在核磁共振造影（Magnetic Resonance Imaging，簡稱 MRI）系統的掃瞄下顯現出來，而螢光量子點則提供其他種顯影型態工具 ─ 也就是螢光掃瞄（fluorescence scanner） ─ 的使用。
圖5. Synthetic procedure used to prepare micellar hybrid nanoparticles that encapsulate magnetic nanoparticles and quantum dots within a single PEG-modified phopholipid micelle.
圖6. The nanometer-sized cargo ships look individually like a chocolate-covered nut cluster, in which a biocompatible lipid forms the chocolate shell and magnetic nanoparticles, quantum dots and the drug doxorubicin are the nuts.
圖7. Cartoon diagram of two doxorubicin molecules intercalating DNA, from PDB 1D12。（資料來源：http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1D12）
「螢光顯影技術能提供比 MRI 更高解析度的圖像。」Sailor 這樣說到。「在外科醫師進行手術之前，利用MRI 可以找到腫瘤所在的專一位置並加以辨識，而使用螢光顯影技術則能夠在手術期間發現並且移除掉所有的腫瘤。」
而最另研究團隊感到驚訝的是在他們的實驗中，單一艘母船卻可以承載多重氧化鐵奈米顆粒，這些奈米顆粒大大提高了 MRI 影像的亮度。
「這些奈米結構的能力便是能夠攜帶超過一個以上的超順磁性奈米顆粒，然後讓 MRI 更輕易的看到它們，如此便應該能讓體積較小的腫瘤也能輕易被偵測到。」Sailor 這樣說到。「事實上，貨輪可以同時攜帶的彈頭彼此在本質上的差異性相當大 ─ 比如說一種是具有磁性的奈米顆粒、一種是螢光量子點，同時又能攜帶小分子的藥物 ─ 這個才是真正讓我們感到驚訝之處呀！」
因此研究人員也將這樣的結構稱為「混成奈米系統（hybrid nanosystems）」，意思就是他可以同時包含多種不同型態的奈米顆粒，而這些奈米顆粒是由數個其他研究群進行研究的。Sailor 提到，”混成” 其實早已在各個實驗室在活體系統以外的應用中被使用了，不過在活體內部（in vivo）或活體器官（特別是針對癌症的顯影或治療）的研究就被限制住了。
「這是因為這些物質不夠穩定，而且在血液中能夠進行循環的時間太過短暫，使得要去觀察這些複雜的奈米結構變得相當困難，」Sailor 補充到。結果最新的研究變成了一種最獨特的重要方法。
「這項研究是首次能利用單一奈米材料在活體動物的生病組織中當作藥物遞送以及多重顯影的例子。」Ji-Ho Park 這樣說到，他是 Sailor 教授實驗室裡面的一位研究生，也是這個研究團隊的一員。而 Geoffrey von Maltzahn 則是 Bhatia 教授實驗室的研究生，他也參與了這項計畫，而這項計畫的經費來源則是由美國國家衛生研究院（National Institutes of Health）的國家癌症研究所（National Cancer Institute）所贊助。
圖8. UCSD graduate student Ji-Ho Park holds a vial containing the nanometer-sized cargo ships, composed of a magnetic nanoparticle, a fluorescent quantum dot and an anti-cancer drug molecule that will be left on the site of the tumor.
這個奈米母船個別看起來就像是覆蓋著巧克力外衣的核桃，具備著生物相容性（biocompatible）的脂肪層就像是巧克力外衣，而磁性奈米顆粒、螢光量子點以及 doxorubicin 藥物則像是核仁。它們就像一個團體般的穿梭在血管中，在電子顯微鏡下它們看起來小小的，一串破碎的珍珠。
目前研究團隊正著手於開發一種能把這個奈米貨輪的外部以化學的手段接上具有專一性 “郵遞區號（zip codes）” 的方法，這樣就可以讓這艘貨輪把 “貨物” 遞送到身體內特定的腫瘤及器官！
Journal reference:
Ji-Ho Park et al.
"Micellar Hybrid Nanoparticles for Simultaneous Magnetofluorescent Imaging and Drug Delivery"
Angewandte Chemie International Edition, Volume 47 Issue 38, Pages 7284 - 7288
〔Abstract〕｜ DOI: 10.1002/anie.200801810
Adapted from materials provided by University of California - San Diego.
原始報導：
1. ScienceDaily：Nano-sized 'Cargo Ships' To Target And Destroy Tumors Developed
2. UCSD NEWS：Researchers Develop Nano-Sized "Cargo Ships" to Target and Destroy Tumors