“如果你能吞下一名外科医生，那么手术将变得有趣而简单。”
蔡林涛
中国科学院深圳先进技术研究院研究员
大家好，我是蔡林涛，来自中国科学院深圳先进技术研究院。我主要研究的领域是纳米医学，简单来讲，就是用纳米技术去解决医学上的难题。我今天要讲的医学难题就是肿瘤治疗。
现在我们很关注肿瘤的治疗，肿瘤在中国是一个高发的疾病。目前已经有很多种针对肿瘤的治疗技术，比如常见的手术、放疗和化疗，还有细胞的免疫学治疗等。每种治疗模式采用的手段不一样，成功率也是不同的。那么，有没有更安全、高效、有序的治疗方式呢？有的，就是我今天要介绍的激光纳米靶向诊疗：《让肿瘤见光死》。
纳米结构充当邮递员进行靶向递送、仿生递送
在我们的研究中，纳米结构起到了神奇的“邮递员”的作用。图片左上方有个小小的纳米球，它的直径只有50纳米。它可以把药物和光敏分子包在这个体系里，在体内运行的过程中，自动地找到我们需要治疗的肿瘤部位。同时，我们可以把纳米材料附在活细胞、细菌上面，来达到仿生的治疗功能。
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利用纳米光学治疗肿瘤
如果想要实现“让肿瘤见光死”，我们还需要光的元素。大家都知道，植物利用光合作用，把二氧化碳变成了氧；人和哺乳动物会吸入氧，再呼出二氧化碳。这种模式就是大自然能量转化的过程。
大自然的能量转化
这种转换的过程涉及到两个很重要的分子。比如，在光合作用里，起作用的是植物中的叶绿素，在叶绿素里面，有一种含镁的卟啉类分子；在呼吸作用体系中，起作用的是血红素，在血红素里面，有一个含铁的卟啉类化合物。这就是分子基础。
当我们把分子置身在激光的作用下，它会产生非常奇妙的作用，比如光动力/光热治疗中热消融的敏感作用，我们把这种作用叫做光学的效应。
纳米光学
那么，这种作用会产生什么效果呢？它会让肿瘤的细胞死亡，同时也会让肿瘤周边的组织产生破坏，死亡的肿瘤细胞会作为抗原的方式刺激体内的免疫。
打个不恰当的比方，我们可以用一个生鸡蛋孵出小鸡，也可以把生鸡蛋煮熟。当你把这个鸡蛋加热煮熟以后，就没法孵小鸡了，而变成纯粹的富含蛋白质的营养物质。我们吃了这个营养物质后，能够让身体更健壮，免疫系统更好。
肿瘤细胞不耐热，正常细胞更耐热
肿瘤为什么能做热消融？我们可以看到，肿瘤细胞和正常细胞是完全不一样的。肿瘤细胞不耐热，它在42度左右就开始失去功能，整个肿瘤细胞会凋亡死亡。正常细胞可以在45度或者更高的温度上耐受更长时间。
还有一个特点，肿瘤生长得特别快，肿瘤里的血管是无序杂乱无章的，所以它的热量散发不出来。我们正常组织里的血管则是通透的。这两种模式会让光热只停留在肿瘤部位，从而把肿瘤细胞杀死，不会破坏到我们的正常细胞。
泡温泉和发烧无法杀死肿瘤细胞
如果加热能把肿瘤杀死，我们能不能通过泡温泉的方式杀死肿瘤呢？其实泡温泉或者发烧的方式，并不能把肿瘤细胞杀死。这其中有两个原因。一是人的体温是维持在37度左右的恒温系统，身体会自动调节体内温度。人体在恒温的状态下，并不会破坏整个肿瘤组织。二是当人体温度达到42度的时候，自身的大脑和身体都会发生病变，所以它是一个无效的治疗方式。
“纳米仿生导弹”：精确制导、定向爆破
因此，我们还需要制造一个纳米的仿生工具，叫做“纳米仿生导弹”。这种技术可以让光热定向、定位到肿瘤部位，把肿瘤细胞杀死，同时不破坏我们的正常组织。
有了这个“纳米仿生导弹”技术，我们怎么去定位肿瘤呢？如果我们能够找到肿瘤的部位，而且也不破坏正常的组织，那就是一个非常完美的方案了。这个方案怎么来体现呢？
正常组织的血管致密，肿瘤组织的血管渗漏
肿瘤的部位生长得非常快，所以它的血管和组织是个渗漏的体系，在血管和组织之间有很多空穴、狭缝。当纳米材料在体内循环的时候，纳米材料就会卡在血管组织的缝隙里，所以肿瘤细胞会越吸越多。这是一个完全被动的过程。
类榫卯结构固定并抓住癌细胞
还有一个过程就是，我们在纳米的表面上修饰很多生物识别的分子。这个分子的作用与古建筑中榫卯的结构类似。它会固定并抓住病灶细胞，利用这样的方式，很容易把药物递送到肿瘤组织上去，发挥重要的作用，即“分子靶向递送”的作用。
有了这个纳米递送技术以后，我们就能顺利找到肿瘤。最后会发生什么情况呢？整个肿瘤是怎样来消除的呢？我们有纳米的技术，有光学的技术，两个技术结合，怎么来实现消除肿瘤呢？
首先，我们要做出纳米的光学药丸。这个药丸实际上由两个简单的分子组成，一个是脂肪或蛋白分子，另一个是能够发光的药物。通过复杂的工艺将两个分子混在一起以后，形成一个纳米的小球。
纳米药丸富集并定位肿瘤
我们把做好的纳米小球打到老鼠的体内，我们可以看到上图中老鼠的右下角有一个肿瘤。这个药是发荧光的，刚开始的时候我们可以看到老鼠全身都在发光。但是随着时间的推移，药物只会聚集在肿瘤的部位，而别处的药会慢慢地被身体里的各种酶降解掉。比如，在24小时的时候，药物在肿瘤的部位有非常高的富集。
上面的视频展示了动态的治疗过程。当身体里的药物有了差异化的富集后，我们就知道已经把药打到肿瘤部位了。这时我们就可以用激光去照射小鼠的肿瘤部位，通过光学的方式去激发它。
为什么我们要花这么大的精力、这么多的步骤去控制它，用光学去激发药物呢？而不是用纳米球包着化疗药物直接治疗，这样岂不是更快、更精准吗？我们的目的很简单，就是尽量减少对正常组织和器官的毒害作用。如果纳米球直接包裹化疗药物投入身体，在药物释放的过程中，它也会破坏其他器官。
这个激光的好处就是，即使这个材料到了其他部位，如果不用光去照射它，72小时后材料就会自动排出体外。所以通过这两层的靶向和控制的模式，可以很好地控制药物只在肿瘤的部位发光发热，而不会破坏我们的正常组织。这样能够更好地保护病人的肌体，例如老年的病人或者有一些其他病变的病人。
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在临床中应用可视化光学诊疗
那这个技术如何在临床中应用呢？我们做了一套设备，叫做可视化的光学诊疗。可视化就是可以通过影像学看到所有的医学过程。
发现肿瘤、光热治疗
图片中的绿色亮光处就是小鼠的肿瘤部位。这个小鼠还是活的，看起来就像是小鼠在屁股上带了一个绿色的小球，小球就指示着这个地方有病变、有肿瘤。我们看到了肿瘤之后，用激光去照射它。图片下半部分是一张热成像图。我们可以看到，当激光照射以后，肿瘤部位是闪闪发光的，就像一个小灯泡一样，我们把它点亮了。
当我们看到药物在肿瘤部位聚集以后，我们通过光学的方式引发肿瘤。这种方式能够非常精准地治疗肿瘤，也不会破坏其他的器官和组织。实验也不会影响老鼠的其他部位，我们可以看到图片中的老鼠还在活蹦乱跳。
实时导航小鼠的肿瘤切除手术
除了做光热治疗之外，纳米药物还可以充当影像指示剂。这只老鼠的腿上长了一个肿瘤，我们给它注射了麻醉药进行手术。因为使用了纳米药物，从影像中我们可以清楚地看到，它腿部的肿瘤有没有切干净。
在手术中，影像指示是非常重要的。我们都知道，脑胶质瘤的复发率非常高。在切除肿瘤的过程中，如果不把肿瘤完全切除掉，很容易引起复发。采用可视化的光学诊治技术，我们可以把肿瘤切除得更干净，也会让病人恢复得更好。
有了光学诊治技术之后，我们如何来做临床应用？刚才我讲的是在科学研究上用小鼠做实验。现在我们正在把这个药物推向临床，叫做临床的光纤光学治疗技术。我们采用一个小小的光纤，这根光纤非常细，大概是一个毫米左右，甚至插到脑子里也不会给脑子造成任何的损伤。
光学诊治技术的治疗原理
这是头颈肿瘤的治疗影像。我们在肿瘤里面打了光敏剂，当我们用激光照射时，就引爆了它里面的光学药丸。使里面的温度达到43度以后，就可以把整个肿瘤消融掉。
临床光纤光学治疗
我们和医生合作的案例有很多，比如脑胶质瘤、皮肤癌和胃癌等。通过这种技术，可以更快、更好地治疗肿瘤。
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纳米医学诊疗的特点
纳米医学诊疗涉及的学科领域非常宽广。纳米光学技术是物理的疗法、光学的技术，同时它要用到化学的知识去引发局部的热量，所以它是物理和化学两个学科结合的技术。
纳米医学诊疗是学科融合的技术
在实现这个技术的过程中，我们需要用到纳米的工程化技术，让药物找到肿瘤，然后利用光学的技术去深度引发它，让它能够在局部里面发热。其次，我们还得有生物医学背景的知识，让药物能够真正游到肿瘤部位上去。最后，我们要用工程化的技术，把它集成一个系统。在多种学科的知识结合以后，才能从一个基础的科学变成一个技术，再变成一个药，变成一个临床医生，最后变成能给病人治病的技术。我们把这个技术叫做纳米医学的诊疗技术。
纳米医学诊疗有四个特点。第一是“靶向性”。纳米药丸是定向、定位到达肿瘤部位的，然后通过纳米蓄积和激光引发的方式来实现靶向的光治疗。
第二是“可视化”。纳米药丸里的光敏剂，是能激发荧光和光热治疗的。它是一个可视化的治疗模式，我们能够看到并监控其中所有的过程，比如能看到肿瘤是否消除、药物的富集和去除等过程。而病人也不必在吃完药物后，再去做核磁共振来检验药物是否被吸收、肿瘤是否缩小。
第三是“低成本”。纳米医学诊疗的原料药是两个非常简单的化合物。现在的激光技术也非常发达，我们在治疗中可使用手持式和内窥式的激光器件。纳米药物和激光医学两者结合，它成为了一个非常高效的治疗工具。整个治疗花费预计不会超过一万元，对比动辄几十到上百万元的分子靶向治疗和细胞免疫治疗，纳米靶向光学治疗技术是一个成本低的治疗模式。
第四是“颠覆式”。纳米医学诊疗采用物理的光热疗法，通过纳米精准递送和激光引爆，来达到生物学和医学中对肿瘤消融的作用。这种模式在肿瘤治疗中是比较新的、颠覆的。
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未来的纳米医学诊疗会是怎样的？
未来纳米会发展成什么样的呢？我们还能怎么利用纳米呢？纳米是由分子组成的，我们接下来要做的事情就是把纳米转到分子。如果一个分子的功能能够实现刚才所讲的靶向、光疗、治疗、成像等多种功能，岂不是更神奇？
在单分子诊疗中，我们可以用单分子去定位老鼠身上的肿瘤，观察肿瘤在不同周期的发展进程，合并光学治疗。近红外单分子探针还具有穿透性，以叶片和玫瑰花为例，在近红外线的光照下，我们可以清晰地看清楚叶片脉络和玫瑰花的内部结构，而不会对物体本身造成任何伤害。如果是研究病毒或某种植株，我们可以用这种方式去研究它感染的过程。
单分子诊疗能找到和治疗肿瘤，而单分子近红外探针可观察叶片和玫瑰花的内部结构
其次大家都知道，物体移动是需要动力的。比如火箭是通过燃烧液态氢或其他燃料发射的。而纳米球是一个材料，它本身没有移动功能，除非我们给纳米球加上动力。因此，我们利用人体内部的葡萄糖、尿酸，通过这些化合物的催化过程产生一个动力，这个纳米球就能够动起来。实际上，我们已经实现了纳米自主可控和运动的体系。
现在机器人非常火热，AI也非常火热。那么纳米的方式能和机器人、AI结合吗？答案是可以的。我们可以通过磁场来控制AI纳米机器人。
藻类可以随磁场调整方向
这个纳米机器人是怎么做成的呢？它是来自海洋里的藻类，这种藻很神奇，它身上有7颗非常小的磁珠。大家可以在图片中看到，我们在这种藻类身体上装载了纳米光敏剂药丸，它可以随着磁场调整方向，我就能够让它去到我指定的地方。通过这种模式，我们很容易通过动力系统去到病症部位。比如胰腺癌或别的癌症在一个很深的部位，我们通过这种方式让它更好地到达肿瘤部位。
在1959年的时候，理查德·费曼博士曾说过：“如果你能吞下一名外科医生，那么手术将变得有趣而简单。”那不是特别棒吗？到那时人们就可以不用去医院做手术了，通过这种模式，纳米机器人自主发现和治疗病症后，其本身就被降解了。这是我们的梦想，目前我们已经实现了前端理念上的东西。
最后我想说，为实现纳米诊疗，纳米技术和科学技术需要有工程技术相配合，这个工程就是器械，我们需要有激光医疗器械。我们可以通过光纤光学结合激光内窥的方法做药物器械，那么这个器械可以做什么事呢？
激光内镜多模诊疗系统
这是一个和内窥镜结合的光纤光谱系统。左上图是肠子内壁，右上图是它的荧光成像，左下图是它的切片图，右下图是它的光学治疗的原生态图。
通过把药物、器械和工程的结合，我们希望最终能够控制、消灭各类肿瘤，真正地控制好目前正在威胁人类生命的肿瘤。
我的演讲到此结束，谢谢大家！
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