本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映的是作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点。
本月发表在《自然材料》上的研究从自然界的合作中汲取了教训，包括在昆虫群中观察到的现象，旨在为癌症治疗开发更有效的靶向方法 [1]。“智能”抗癌药物系统可以利用类似于群体智能的机制来定位人体内的病灶。当群体行为，例如蜜蜂协同飞行和工作以寻找食物来源，被群体用于“以个体无法做到的方式集体解决问题”时，便产生了群体智能 [2]。
昆虫群的确常常能为共同的任务或问题找到“比最先进的数学方法得出的方案更优”的解决方案 [2]。当麻省理工学院的 Geoffrey von Maltzahn 等研究人员从群体行为和自然界中其他合作的例子中汲取灵感（图 1）时，他们设计的工程系统有望彻底革新多种癌症的诊断和治疗。群体或“群”体的问题解决能力甚至可以应对在包含超过 100 万亿个非癌细胞的人体中，定位少量癌细胞团的任务！
关于支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保我们能够继续创作关于塑造当今世界的发现和思想的、具有深远影响力的报道。
Geoffrey von Maltzahn 及其同事设计了一种由特殊纳米颗粒组成的两部分系统，这些纳米颗粒可以相互通信，从而增强药物向病灶部位的输送（图 2）。纳米颗粒是非常微小的物质，其尺寸小于人类头发平均宽度的千分之一，可以与单个的人体细胞、蛋白质甚至单个分子相互作用。纳米颗粒的形状、大小和表面性质也可以被改造，使其能在血液循环中停留足够长的时间，并主要积聚在肿瘤组织中，因为肿瘤组织的血管比正常组织更具渗漏性。
因此，纳米颗粒是将药物输送到病灶部位的理想载体。然而，即使单个纳米颗粒配备了能优先引导它们到达癌细胞和肿瘤组织的“归巢”分子，其靶向效率仍有待提高。靶向效率是衡量纳米颗粒在癌组织中富集程度的指标。
通常情况下，为了在小的、深层的肿瘤中达到最低治疗水平，必须向实验动物体内输注数万亿个载药纳米颗粒 [1]。这造成了纳米颗粒制剂和药物化合物的巨大浪费，这些制剂和化合物不仅昂贵且通常难以制备，而且当以如此高剂量注射时，还可能对身体的健康组织造成损害。
尽管人们已经设计出许多方法来提高纳米颗粒在疾病诊断和治疗中的靶向效率，Geoffrey von Maltzahn 及其同事可能已经提出了迄今为止最巧妙的解决方案。他们创造了“侦察”或信号纳米颗粒，这些颗粒可以为定位活体小鼠体内的肿瘤铺路，然后将肿瘤位置信息传递给接收纳米颗粒，也就是“群”体的其余部分。这种机制类似于蜜蜂的逻辑，蜂群能够“直接飞向由（蜜蜂）侦察兵识别出的目标”[2]。
一旦信号纳米颗粒识别出肿瘤的存在，它们就会向载药的接收纳米颗粒发送信号，广播肿瘤部位 [3]。通过这种方式，仅一个侦察纳米颗粒就能招募超过 150 个载药接收纳米颗粒，相当于超过 35,000 个独立的药物分子。这是一个惊人的放大效应，类似于单只“领头”或侦察蜂如何召集整个蜂巢的同伴前往觅食点。
图 2. 左：由 Paige Brown 编译，素材来自 ClipArt & Wiki commons。右：图片来源：Ji Ho (Joe) Park 博士。一种由脂质体（白色圆圈）和金纳米棒（黑色）组成的协同纳米系统。
另一个类比是，《完美群体》的作者 Len Fisher 指出，小型军事团队的领导力可以使整个军队产生“群体行为”效应。正是这种群体行为，其中各组分之间的信号传递呈级联式的通信链，帮助双组分信号-接收纳米颗粒系统增强药物向癌性病灶的输送。Geoffrey von Maltzahn 及其同事设计的纳米颗粒通过凝血级联相互通信，凝血级联是一个复杂的生物学反应级联，它能使血液形成凝块并防止过度出血。
由金纳米棒组成的信号纳米颗粒通过肿瘤部位的光激活加热来启动血液凝固过程。当医学研究人员将近红外激光照射到活体小鼠的肿瘤部位时，金纳米棒迅速升温，并通过热损伤肿瘤血管启动血液凝结。载药脂质体纳米颗粒（即接收器）随后通过促进凝血级联反应末端附近的一个步骤来对这种凝血级联做出反应，该步骤产生纤维蛋白，纤维蛋白是一种形成伤口血凝块网状结构的链状蛋白质。
通过这种通信机制，接收脂质体纳米颗粒，作为抗癌的“部队”，被少量信号或侦察金纳米棒颗粒吸引到肿瘤部位（图 2）。凝血是生物学中高度保守的过程，因此通过这种途径进行通信的纳米颗粒可以帮助改进针对广泛动物和人类群体的癌症靶向疗法。
Geoffrey von Maltzahn 等人在《自然材料》杂志上发表的研究结果表明，相互通信的纳米颗粒比不通信的纳米颗粒能够向肿瘤输送高出 40 倍以上的化疗药物（抗癌药物）剂量。这些结果表明，纳米颗粒通信具有增强药物输送的潜力，使其超越了单独工作的纳米颗粒所能达到的效果，这与昆虫群体的整体表现优于单个昆虫的独立行动类似。
尽管还需要进一步的实验和临床前研究来验证通过凝血等复杂途径进行的纳米颗粒通信对人体是否安全，以及是否会产生不可预见的副作用，但将群体智能应用于癌症靶向治疗，无疑为改进疗法带来了巨大的潜力。
参考文献
[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] 《完美群体：日常生活中的复杂性科学》，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
关于作者：Paige Brown 近期在圣路易斯华盛顿大学获得了生物医学工程博士学位。她还拥有路易斯安那州立大学生物与农业工程专业的理学学士和硕士学位。她计划在 2012 年返回路易斯安那州立大学，继续攻读新闻学高级学位。Paige 是科普博客“From The Lab Bench”的作者，该博客托管于 Nature Network 平台。虽然她的职业是科学家，但她内心深处是一名作家。您可以在 Twitter 上关注她。
文中表达的观点仅代表作者个人，不一定反映《大众科学》的立场。