在生醫領域，藥物要如何送入細胞中是個很重要的問題，除了一般常見小分子化合物，利用擴散、胞吞、受體輔助等，也有人著手於使用物理的方式，例如電場、磁場、溫度的改變，或以超音波或光搭配藥物在細胞膜上打洞，將特定的藥物送入細胞。若能精準調控標的，更能直接破壞細胞，治療癌症。
由萊斯大學、北卡羅來納州立大學、英國杜倫大學合作的實驗中，他們使用了分子馬達來達成此目的 [1,2]。「分子馬達」正是 2016 年諾貝爾化學獎的主角，費林加（Bernard Feringa）在 1991 年首次製造出分子馬達，在紫外光照射下，分子上的轉輪可進行單方向旋轉。
這群研究者在此基礎上製造出了不同的分子馬達，其基本構造是由一個轉子（rotor）和一個定子（stator）組成，並在定子兩旁接上不同的側鏈。當他們把分子馬達和細胞混合，這些約一奈米大小的馬達會物理吸附到細胞膜上，而當馬達被紫外光照射時，會以每秒約兩三百萬轉的速度鑽破厚度約 7-8 奈米的細胞膜，除了讓藥物能透過外，也可以引發細胞壞死。
圖片說明： 圖一：(A) 分子馬達吸附在細胞膜上，在接受紫外線照射後鑽破細胞 (B) 分子馬達由轉子（紅色）、定子（藍色）與側鏈（綠色）組成 圖二：團隊測試的幾個分子馬達：3號為基本款，可以快速鑽破細胞膜破壞細胞；4號加了側鏈，會降低其效率；10號加了肽鏈，可以增加細胞選擇性。圖片來源：http://news.rice.edu/2017/08/30/motorized-molecules-drill-through-cells/
證實了分子馬達能鑽破細胞膜後，他們接著增加對特定細胞的選擇性。由於原本的結構只要看到細胞膜都會吸附上去，在實際應用時，恐怕在攻擊癌細胞前，正常細胞都已受損。因此研究者接下來在側鏈上加上短肽結構，試圖提高細胞專一性，在加入約七個胺基酸長度的側鏈後，被針對的細胞相對控制組出現專一性，但也發現側鏈越長會妨礙分子鑽頭的效率。
若這項技術要實用，首先必須克服的是細胞選擇性和效率的取捨，藉由找出最佳側鏈組合或可解決此問題。另一個難題在於，此分子是以紫外光驅動，而紫外光難以穿透身體表層，為克服此困難，研究者勢必要修改分子，使其能以近紅外光或和無線電波來驅動。不論如何，這群研究者已經起了個頭，值得期待相關後續研究。
相關影片：分子馬達加了會發螢光的側鏈，可以清楚看到其鑽破細胞膜並進入細胞
http://www.nature.com/nature/journal/v548/n7669/fig_tab/nature23657_SV3.html
參考資料：
- García-López, V., Chen, F., Nilewski, L. G., Duret, G., Aliyan, A., Kolomeisky, A. B., … Tour, J. M. (2017). Molecular machines open cell membranes. Nature. 2017 Aug 30;548(7669):567-572., 548(7669), 567-572. doi: 10.1038/nature23657
- Motorized molecules drill through cells: Nanomachines constructed to deliver drugs, destroy diseased cells. (2018, September 6). Retrieved from https://www.sciencedaily.com/releases/2017/08/170830132217.htm
撰文│威佑
