治愈不治之症：纳米医学中的AI与原子级设计革命

科学家们正在通过原子级设计将纳米医学转变为更智能、更有效的疗法，从而应对从癌症到神经退行性疾病的各类疾病。这项由人工智能引导的突破预示着我们在最小尺度上如何设计药物的重大进步。

一场科学革命正在进行中，研究人员正努力将曾经仅用于小分子药物的原子级精度引入纳米医学领域。

通过严格控制纳米级疗法的结构，他们正在开发更有效的疫苗和治疗癌症、感染和自身免疫疾病的药物。科学家们正在摒弃传统的“搅拌机”式疫苗开发方法，转而采用复杂的结构方法，展示出如球形核酸和化学荧光剂等创新成果。这些突破在人工智能的指导下，标志着我们在最小尺度上如何设计药物的一个大胆飞跃——西北大学在这方面处于领先地位。

精度至关重要：药物中的原子级控制

几十年来，大多数药物都是以原子级精度制造的。药物分子中每个原子的确切位置可以决定其效果以及安全性。例如，布洛芬的一种分子形式可以缓解疼痛，而其镜像则没有任何作用。

现在，来自西北大学和马萨诸塞州总医院的研究人员认为，这种结构精度应应用于新一代纳米药物——这些疗法在纳米尺度上构建，以应对一些最严重的疾病。与传统药物不同，目前的纳米药物（如mRNA疫苗）在颗粒之间差异很大。没有两个颗粒是完全相同的，这可能会影响一致性和有效性。

未来的疫苗和疾病治疗

为了改变这一现状，研究人员正在开发更精确地控制纳米药物结构的方法。这种控制使科学家能够微调这些疗法与人体的相互作用——从而可能导致更强大的疫苗和针对癌症、传染病、神经退行性疾病和自身免疫障碍的靶向治疗。

他们的这一药物设计转变的观点将于今天（4月25日）在《自然·生物工程评论》上发表。

球形核酸（SNAs）是一种球状DNA，可以轻松进入细胞并结合目标。相比线性DNA，SNAs在基因调控、基因编辑、药物递送和疫苗开发方面表现出显著潜力——甚至在某些情况下，在临床环境中治愈了致命的皮肤癌。SNAs是一个例子，展示了结构设计如何改变一种治疗手段与人体的相互作用。

小分子时代的遗产与纳米技术

“历史上，大多数药物都是小分子，”论文合著者、西北大学的查德·A·米尔金说。“在小分子时代，控制特定结构中的每一个原子和每一个键的位置至关重要。如果一个元素不在正确的位置，可能会使整个药物失效。现在，我们需要将这种严格的控制带到纳米医学中。结构纳米医学代表了我们在治疗方法上的巨大转变。通过关注我们治疗手段中的复杂细节以及不同药物成分在一个更大结构中的展示方式，我们可以设计出更有效、更针对性且最终对患者更有益的干预措施。”

作为纳米医学领域的先驱，米尔金是西北大学乔治·B·拉特曼化学、化学和生物工程、生物医学工程、材料科学与工程以及医学教授。他在文理学院、麦考密克工程学院和范伯格医学院都有任职。他还是国际纳米技术研究所（IIN）的创始主任。米尔金与米兰·姆尔基奇（麦考密克工程学院亨利·韦德·罗杰斯生物医学工程教授、文理学院化学教授、范伯格医学院细胞与发育生物学教授）以及娜塔莉·阿茨（马萨诸塞州总医院基因和细胞治疗研究所结构纳米医学负责人、哈佛医学院医学副教授、哈佛大学威斯生物启发工程研究所核心成员）共同撰写了这篇观点文章。

重新思考疫苗的“搅拌机方法”

在传统的疫苗设计方法中，研究人员主要依靠混合关键成分。例如，典型的癌症免疫疗法由肿瘤细胞中的分子（称为抗原）与刺激免疫系统的分子（称为佐剂）配对组成。医生将抗原和佐剂混合成一种鸡尾酒，然后注射给患者。

米尔金称这种方法为“搅拌机方法”——其中的成分完全没有结构。相比之下，结构纳米药物可以用来组织抗原和佐剂。当在纳米尺度上进行结构化时，这些相同的药物成分表现出更高的效力和更低的副作用。然而，与小分子药物不同，这些纳米药物在分子水平上仍然不够精确。

“一批药物中的每一种都不相同，”米尔金说。“纳米疫苗具有不同的脂质数量、不同的脂质呈现方式、不同的RNA含量和不同的颗粒大小。纳米药物配方中有无数变量。这种不一致性导致了不确定性。没有办法知道你是否在众多可能性中拥有最有效和最安全的结构。”

原子级精度的设计

为了解决这个问题，米尔金、姆尔基奇和阿茨主张转向更加精确的结构纳米药物。在这种方法中，研究人员从化学定义明确的核心结构开始，可以在受控的空间排列中精确设计多个治疗成分。通过在原子水平上控制设计，研究人员可以解锁前所未有的功能，包括将多种功能集成到一种药物中、优化靶点结合以及在特定细胞中触发药物释放。

案例研究：SNAs、化学荧光剂和巨分子

在论文中，作者引用了三种开创性的结构纳米药物的例子：球形核酸（SNAs）、化学荧光剂和巨分子。米尔金发明的SNAs是一种球状DNA，可以轻松进入细胞并结合目标。相比相同序列的线性DNA，SNAs在基因调控、基因编辑、药物递送和疫苗开发方面表现出显著潜力——甚至在某些情况下，在临床环境中治愈了致命的皮肤癌。

“我们已经证明，基于SNA的疫苗或治疗的整体结构表现——不仅仅是活性化学成分——极大地影响了其效力，”米尔金说。“这一发现可能会导致多种类型癌症的治疗方法。在某些情况下，我们使用这种方法治愈了无法用任何其他已知疗法治疗的患者。”

由阿茨和米尔金率先提出的化学荧光剂是智能纳米结构，能够在癌细胞中响应疾病相关信号释放化疗药物。而由姆尔基奇发明的巨分子是精确组装的蛋白质结构，模仿抗体。研究人员可以设计所有这些类型的结构纳米药物来携带多种治疗剂或诊断工具。

靶向、响应性药物递送

“通过利用疾病特异性的组织和细胞信号，下一代纳米药物可以实现高度局部和及时的药物释放——改变药物在体内的作用方式和位置，”阿茨说。“这种精度对于组合治疗尤为重要，协调递送多种药物可以显著提高治疗效果，同时减少系统毒性并最小化脱靶效应。这种智能、响应性的系统代表了克服传统药物递送局限性的关键一步。”

AI：结构优化的催化剂

展望未来，作者指出，研究人员需要解决当前在可扩展性、可重复性、递送和多治疗剂整合方面的挑战。作者还强调了新兴技术如机器学习和人工智能（AI）在优化设计和递送参数方面日益重要的作用。

“在考虑结构时，有时有数万种可能性来安排纳米药物上的成分，”米尔金说。“借助AI，我们可以从大量未探索的结构中缩小范围，只合成和测试少数几种。通过控制结构，我们可以创造出效力最高且副作用最小的药物。我们可以重新构建核酸等药物成分，创造出比标准DNA和RNA所见特性远超的实体。这只是开始，我们非常期待看到接下来会发生什么。我们正处于结构医学新时代的边缘，西北大学将引领这一潮流。”

参考文献：“The emerging era of structural nanomedicine”，2025年4月25日，《自然·生物工程评论》。

该论文得到了国家癌症研究所（资助编号R01CA257926和R01CA275430）、国家糖尿病、消化和肾脏疾病研究所（资助编号U54DK137516）、埃德加·H·巴赫拉赫通过巴赫拉赫家族基金会、CZ Biohub、国防威胁降低局（资助编号HDTRA1-21-1-0038）和Lefkofsky家庭基金会的支持。

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