NanoGripper是一种基于DNA的纳米机器人，能迅速检测和阻断包括COVID-19在内的病毒，或将彻底改变诊断、预防和靶向治疗的格局。
由单条DNA制成的一只微小的“四指手”能够捕获导致新冠肺炎的病毒，从而实现高灵敏度和快速检测。据伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员称，这只“手”甚至能阻止病毒颗粒进入并感染细胞。这种纳米机器人手被称为“纳米抓手”，还可以对其进行编程，使其与其他病毒相互作用或识别细胞表面标志物，从而可能为靶向药物递送提供可能，例如用于癌症治疗。
该项研究由伊利诺伊大学生物工程与化学教授邢旺（Xing Wang）领导，并在《科学·机器人学》（Science Robotics）期刊上发表了他们的研究进展。
受人手和鸟爪的抓握力的启发，研究人员设计出了NanoGripper，它有四个可弯曲的手指和一个手掌，全部由一个DNA片段折叠成的纳米结构构成。每个手指都有三个关节，就像人的手指一样，弯曲的角度和程度由DNA支架上的设计决定。
王（Wang）说：“我们想制作一种柔软的材料，一种具有抓取功能的纳米级机器人，这是前所未有的，可以用于生物医学领域，与细胞、病毒和其他分子进行交互。‘我们利用DNA的结构特性。它坚固、灵活且可编程。但即使在DNA折纸领域，从设计原理来看，这也是新颖的。我们将一条长DNA单链来回折叠，一次成型，制成所有元件，包括静态元件和动态元件。”
在病毒检测中的应用
这些“手指”包含被称为DNA适配体的区域，它们经过特殊设计，能与分子靶标（即首次应用中的新型冠状病毒的刺突蛋白）结合，并触发“手指”弯曲包裹住靶标。在相对的一侧（即手腕的位置），NanoGripper能够附着在表面或其他更大的复合物上，用于生物医学应用，如传感或药物递送。
为了创造一种能够检测新冠病毒的传感器，王教授的团队与伊利诺伊大学电气与计算机工程教授布莱恩·坎宁安领导的团队展开了合作，布莱恩教授专门从事生物传感研究。他们将纳米夹持器与光子晶体传感器平台相结合，创造出一种快速的新冠病毒检测方法，30分钟即可得出结果，其灵敏度与医院使用的金标准——定量聚合酶链式反应（qPCR）分子检测相当。qPCR检测比家庭检测更准确，但耗时更长。
“由于我们直接检测完整病毒，因此我们的测试既快速又简便，”坎宁安表示。“当病毒被 NanoGripper 抓住时，荧光分子会在 LED 或激光照射下被激活而发光。当大量荧光分子聚集在同一个病毒上时，在我们的检测系统中该病毒会变得足够明亮，从而可以单独计数。”
预防医学与潜在治疗法
王说，除了诊断外，纳米抓手还可以通过阻止病毒进入和感染细胞而应用于预防医学。研究人员发现，当在细胞培养物中加入纳米抓手，再使细胞暴露于新冠病毒时，多个抓手会包裹在病毒外侧。这阻止了病毒的棘突蛋白与细胞表面的受体相互作用，从而防止感染。
王（Wang）说：“人体感染后再使用这种药物将非常困难，但我们可以用它作为预防治疗药物。我们可以制作一种抗病毒鼻喷复合药物。鼻子是呼吸道病毒（如新冠病毒或流感病毒）的热点区域。含有NanoGripper的鼻喷药物可以阻止吸入的病毒与鼻腔细胞发生相互作用。”
王说，NanoGripper能够很容易地经过工程设计用于靶向其他病毒，如流感、艾滋病毒或乙型肝炎病毒。此外，王还设想使用NanoGripper进行靶向给药。例如，可以编程让“手指”识别特定的癌症标志物，NanoGripper可将抗癌药物直接输送到目标细胞。
王说：“这种方法比我们在这项工作中展示的少数几个例子更有潜力。我们必须对三维结构、稳定性和靶向适配体或纳米抗体进行一些调整，但我们已经开发出几种在实验室中进行调整的技术。当然，这需要大量的测试，但它在癌症治疗中的潜在应用以及在诊断应用中实现的灵敏度都证明了软体纳米机器人的强大功能。”
参考文献：周立峰、熊燕羽、阿比谢克·德维维迪、郑梦溪、劳拉·库珀、斯基·谢泼德、宋婷杰、洪玮、乐林弘、陈鑫、索拉布·乌姆劳、容丽君、王彤、布瑞恩·T·坎宁安和王星于2024年11月27日在《科学·机器人学》（Science Robotics）上发表的“受生物启发的设计师DNA NanoGripper用于病毒检测和潜在抑制”一文。DOI：10.1126/scirobotics.adi2084
这项工作由国家卫生研究院（National Institutes of Health）和美国国家科学基金会（National Science Foundation）提供支持。王和坎宁安均隶属于伊利诺伊大学（University of Illinois）的卡尔·R·沃斯基因组生物学研究所（Carl R. Woese Institute for Genomic Biology）和霍洛尼亚克微电子与纳米技术实验室（Holonyak Micro and Nanotechnology Lab）。
