雷鋒網(wǎng)按：近日，2017 世界機器人大會人工智能與機器人青年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)專題論壇在京召開，本次論壇由中國電子學(xué)會-嵌入式系統(tǒng)與機器人分會主辦，雅瑞資本、真格基金、立德共創(chuàng)承辦，并由多家大學(xué)、創(chuàng)投機構(gòu)、新型企業(yè)聯(lián)合支持。

在下午的論壇主題演講中，中科院沈陽自動化研究所研究員劉連慶教授以《微納操控及其在個性化醫(yī)療中的應(yīng)用》為題作了演講。

以下為劉連慶教授演講內(nèi)容，雷鋒網(wǎng)做了不改變原意的編輯：

我今天的題目主要講和醫(yī)療相關(guān)，這是一個統(tǒng)計表，一個是美國汽車工業(yè)學(xué)會，一個是美國制藥學(xué)會。醫(yī)藥整個行業(yè)市場價值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于汽車工業(yè)，這也符合擁有海量市場這么一個基本的假設(shè)?？梢韵胂竦牡皆谖磥韼资旰?，一個家庭可能沒有汽車，但很難想象一個家庭沒有藥，比如像阿司匹林、降血糖的藥現(xiàn)在稍微上點年紀(jì)的人都會用這幾種藥。

今天討論一下怎么把微納技術(shù)和醫(yī)藥工業(yè)的發(fā)展結(jié)合起來。我是做納米操作機器人的，先介紹一下什么是納米操作機器人。工業(yè)機器人大家見的很多，把結(jié)構(gòu)化的物體高速、高效組裝成人們期望的形狀。但隨著尺度縮小，在顯微鏡的幫助下能夠看到細(xì)胞，所以現(xiàn)在又做了微操作機器人，這個比較少見。

但事實上，20 世紀(jì)之后幾乎所有生物學(xué)的突破都是基于微操作技術(shù)發(fā)展而來，比如基因、克隆等等，尺度進(jìn)一步縮小，我們現(xiàn)在看到了低因分子看到碳納米管，我們需要另外一種工具來實現(xiàn)它們的操控。納米看不見也摸不著，有了納米操作機器人不但能夠讓你看得見納米，也能夠讓你觸摸得到納米。

給大家舉一個例子，一個人切割活體神經(jīng)細(xì)胞，做納米操作的時候，不僅能夠看到納米場景的實時變化，通過 leap 反饋手柄，切割活體細(xì)胞需要多大的重力。當(dāng)然在一個細(xì)胞膜上穿孔，用各種各樣的方式，采用機械方式，這是推動一根 DNA 分子，直徑大概只有 2 納米。在推動它的時候不止能夠看到 DNA 分子的實時變化，還能感受到推動一根 DNA 分子需要多大的重力。

把人的能力從讓機器人幫人做人也能干但不想干的事，把人的能力進(jìn)一步擴展和提升，讓機器人幫助人去干人想干但干不了的事情。我想這是納米操作機器人對機器人的貢獻(xiàn)。

有了這套機器人系統(tǒng)之后能干些什么？我們想跟新藥研發(fā)結(jié)合起來。這幅圖紅線代表每年對于新藥研發(fā)經(jīng)費的投入，而綠色代表的是每年新藥的產(chǎn)出數(shù)，錢越投越多，藥越來越少，并且如果再有一個軸的話是各種各樣新出的疾病也越來越多。

現(xiàn)在整個醫(yī)藥界迫切需要新的技術(shù)來彌補投入和產(chǎn)出之間的差距。新藥產(chǎn)生的流程不說了，真正的萬里挑一，從一萬個化合物當(dāng)中篩選，只有一個合格，不幸運的話一個也沒有，為什么幾年前輝瑞把一個研發(fā)中心給關(guān)掉，就是因為藥物研發(fā)失敗，大概需要花費 15 億美元 ，這是一個基本背景。

藥物研究失敗的主要原因，一個是藥效，一個是毒性。這種藥沒效果或者對有的人有效對有的人沒效，毒性可能對治心臟病對心臟確實好但是把肝傷了。大家現(xiàn)在買藥的時候經(jīng)?？吹健疤悄虿』颊呱饔?，心臟病患者慎用”，這種藥物在處理有用的同時還有一些副反應(yīng)，它把別的細(xì)胞殺害了。我們把微納操控技術(shù)揉進(jìn)來，在這兩個領(lǐng)域各做一些貢獻(xiàn)。 

個性化醫(yī)療，主要做淋巴癌，和北京 307 醫(yī)院合作。癌癥是第一殺手，大家都不陌生，癌癥常規(guī)的治療方法就是化療和放療。放療和化療效果還是不錯的，但是它的問題就是副作用太大，用高能的射線對人進(jìn)行轟擊照射，不止把腫瘤細(xì)胞殺死，把所有正常的細(xì)胞也都?xì)⑺懒?，這導(dǎo)致放療和化療的人到后來牙齒脫落、頭發(fā)脫落、內(nèi)分泌失調(diào)等等。

后來出來一種新的靶向治療，它的基本原理以淋巴癌為例，在淋巴癌細(xì)胞的表面有一種抗體 CD20，這個藥物是 CD20 的抗原，抗體和抗原之間的相互作用就把細(xì)胞殺死。由于大部分的抗體只在癌細(xì)胞表面存在，人吃完這種藥，藥指向生物導(dǎo)彈一樣黏在癌細(xì)胞上，對正常細(xì)胞沒有影響，這個藥物獲得巨大成功。但是它的問題，有人有效有人沒效。

著名央視的羅京先生在 307 醫(yī)院醫(yī)治，他對這種藥物沒效，這種藥物非常貴，一星期就需要花好幾萬。醫(yī)生不知道該不該對病人用這種藥，對于像羅京先生經(jīng)濟條件比較好就一直用，對于一般的人來講，如果一個星期好幾萬，好幾個星期幾十萬就下去了。

醫(yī)生找到我們，有沒有什么辦法研究一下為什么有人有效有人沒效，這是一個非常復(fù)雜的生物學(xué)問題。我們要把這個問題工程化想得簡單一些，依靠抗體和抗原的相互作用殺死癌細(xì)胞。有人有效有人沒效，是不是細(xì)胞表面抗體的密度不一樣？密度越大黏上的藥越多效果越好，或者抗體和抗原之間結(jié)合力的大小不一樣，結(jié)合力越大效果越好，所以我們有這么一個基本假設(shè)。

我們相信，藥效到最后還是脫離不了牛頓定律，應(yīng)該還是物理能夠解釋的問題。這就轉(zhuǎn)變成我們怎么樣在液體環(huán)境里面活體細(xì)胞表面去探測只有幾個納米大的抗體，我們怎么樣測量抗體和抗原連納級都沒有的作用力。我們做了很多的工作，我只是把結(jié)果匯報一下，具體細(xì)節(jié)不介紹了。

通過對機器人的研究，可以在活體細(xì)胞表面精確測出來抗體和抗原之間的作用力是多大，也叫單分子重力，把細(xì)胞拿出來之后還能夠?qū)?xì)胞表面抗體的密度表征出來，從臨床拿了很多的細(xì)胞，這就是個性化醫(yī)療。

第一個發(fā)現(xiàn)，和作用力大小的關(guān)系并不是特別大，但是和密度密切相關(guān)，密度高了作用效果就好，所有生物學(xué)的實驗都要經(jīng)過成百上千次的測試。但是當(dāng)我們在測試過程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)了另外一個問題，拿活檢的細(xì)胞，癌細(xì)胞被正常的紅細(xì)胞淹沒，我們只想測量癌細(xì)胞，不想測量紅細(xì)胞。怎么樣把細(xì)胞有效分離，我不想介紹流式細(xì)胞儀好幾百萬，熒光染色。

我們是用物理的分離方法，把光子打到物體表面，根據(jù)動量定理實現(xiàn)物體的移動，它的問題就是光強特別大，操作細(xì)胞的時候，很容易把細(xì)胞燒死。我們需要把它分離而對細(xì)胞不會產(chǎn)生影響的方式。

我們做了光電鎳的操作方法，光能到電能再到機械能，把光打成什么樣的形狀，力就是什么樣的形狀，這個光強只有光鎳的千分之一，但是重力的大小一樣。有了這個光我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，由于細(xì)胞本身的特征不一樣，同一束光，對正常細(xì)胞和癌細(xì)胞產(chǎn)生的力大小不一樣，調(diào)節(jié)電的頻率和光強，只能推動癌細(xì)胞，推動不了正常細(xì)胞，來回掃、反復(fù)掃，就能把癌細(xì)胞正常細(xì)胞分開。 

更進(jìn)一步，如果大家仔細(xì)看的話發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞在高速地旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的原因是因為癌細(xì)胞的急性和正常細(xì)胞不一樣。這給我們一個啟示，我們能不能用癌細(xì)胞的自旋來做癌癥的早期檢測，急性最開始改變，急性表面才有抗體抗原，才能用熒光的方法檢測物理本身的特征。

在癌變的前一個周期之內(nèi)已經(jīng)展現(xiàn)出來，像有心電圖，我們有細(xì)胞電圖。每類細(xì)胞的共旋共振頻率不一樣。做了四類癌細(xì)胞，通過頻譜不一樣，很好地把四類細(xì)胞分離出來。每種細(xì)胞共振時旋轉(zhuǎn)的頻率不一樣，我們用這種方法做一個癌癥的早期檢測。

簡單總結(jié)一下，我們先抽血用血液動力學(xué)自旋進(jìn)行癌癥的早期檢測，然后再和 value 結(jié)合，和正常細(xì)胞分離，納米機器人測分子密度和分子力。最后有一個模型，預(yù)測出來病人到底吃完這種藥的療效有多大。

從第一步到第六步，只有第一步和第六步需要醫(yī)生做，二、三、四、五用工程的方法來做，這是對癌癥進(jìn)行早期檢測還有一直到最后個性醫(yī)療的完整途徑，每個方向上我們都投入了一些研究生，現(xiàn)在正在做這方面的工作。這是針對個性化治療，怎么樣實現(xiàn)更加有效的治療。

現(xiàn)在篩選的藥都是以細(xì)胞進(jìn)行篩選，人體的細(xì)胞是三維組織塊，三維環(huán)境互相連通、相互促發(fā)，現(xiàn)在篩選新藥就是一堆細(xì)胞零散在試管里面，構(gòu)成不了三維連通，導(dǎo)致所有的藥物藥效預(yù)測不一樣，這是第一。

第二，往往只用一類細(xì)胞來看，治心臟病就看心肌細(xì)胞，這是不對的，除了看心肌細(xì)胞，肝、肺這些細(xì)胞共生長共培養(yǎng)，看看對心肌細(xì)胞好的同時有沒有傷害別的細(xì)胞，這是一個基本思想。

機器人化的微納操控系統(tǒng)，第一步可以把細(xì)胞跟水泥膠混合到一塊兒變成三維組織塊，光打成什么形狀，細(xì)胞最后長成什么形狀。細(xì)胞之間三維連通，更加接近于人體形狀。我不只生長一類細(xì)胞，要生長好幾種細(xì)胞，每種顏色代表不同的細(xì)胞，剛才有一個光電的操控方法，還能對它進(jìn)行實時操控?；驹砭褪撬嗄z來了，先把細(xì)胞用同一束光的方法做成細(xì)胞塊，進(jìn)入光電鎳的系統(tǒng)里面組裝，不同種的細(xì)胞模擬人體環(huán)境組裝到一塊兒。

大家玩過俄羅斯方塊，每一種代表不同種的細(xì)胞，可以把這些細(xì)胞自由地組裝到一起，它的好處是有心肌的、有肝的、有肺的，這樣的話再加一種藥物的同時就看這幾類細(xì)胞共同的反應(yīng)，到最后對藥物的預(yù)測不只是一種細(xì)胞的反應(yīng)，而是整體的反應(yīng)。如果對心肌細(xì)胞非常好，但是把別的細(xì)胞全都?xì)⑺懒?，這種藥物的毒性太強，我也不建議它再進(jìn)入下一期的臨床實驗。

幾類細(xì)胞一種顏色代表一種細(xì)胞，現(xiàn)在已經(jīng)能夠做到三類，三種細(xì)胞放到一起，三種細(xì)胞還都可以存活，進(jìn)入到下一期臨床的測試?，F(xiàn)在這套系統(tǒng)已經(jīng)在上海藥物所得到了初步的應(yīng)用，已經(jīng)開始應(yīng)用于化合物的初步篩選。

好多投資界都非常熟悉喬布斯，他說過“我們不能跑向冰球已經(jīng)在的地方，要跑向冰球即將滑向的地方”，我離產(chǎn)業(yè)有一些遠(yuǎn)，我們做的微納看著有很多基礎(chǔ)研究在里面，真正的基礎(chǔ)研究如果不能帶來突破，它就是基礎(chǔ)研究，但如果有一天它能帶來突破的話，它一定是 Big Breakthrough（大的突破）。

*來自雷鋒網(wǎng)報道

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