科学家表示，结构决定了纳米医学的有效性和安全性，推动了治疗创新

从历史上看，绝大多数的药物都经过了精心设计，达到了原子水平。药物分子中每个原子的具体位置是决定其工作效果和安全性的关键因素。例如，在布洛芬中，一个分子可以有效地缓解疼痛，但同一分子的镜像完全无效。现在，西北大学和马萨诸塞州布里格姆将军的科学家们认为，这种应用于传统药物的精确结构控制应该被用来引入一类新的强效纳米药物，可以治疗世界上一些最令人衰弱的疾病。

对于目前的纳米药物，如mRNA疫苗，没有两个粒子是相同的。为了确保同一批中的所有纳米药物都是一致的，并且是最有效的版本，科学家们正在设计新的策略来精确地调整它们的结构。

有了这种控制水平，科学家们可以微调纳米药物与人体的相互作用。这些新设计正在为癌症、传染病、神经退行性疾病和自身免疫性疾病带来强效疫苗，甚至治愈方法。

这篇题为“结构纳米医学的新兴时代”的文章发表在《自然评论生物工程》杂志上。

“从历史上看，大多数药物都是小分子的，”西北大学的Chad A.Mirkin说，他是这篇论文的合著者。

“在小分子时代，控制特定结构中每个原子和每个键的位置至关重要。如果一个元素错位，可能会使整个药物无效。

”现在，我们需要对纳米医学进行严格控制。结构纳米医学代表了我们如何进行治疗开发的巨大转变。通过关注我们治疗中的复杂细节以及不同药物成分如何在更大的结构中显示，我们可以设计出更有效、更有针对性、最终对患者更有益的干预措施。“

疫苗设计的“混合方法”问题

在传统的疫苗设计方法中，研究人员主要依赖于将关键成分混合在一起。例如，典型的癌症免疫疗法由肿瘤细胞中的一个或多个分子（称为抗原）与刺激免疫系统的一个分子（也称为佐剂）配对而成。医生将抗原和佐剂混合成混合物，然后将混合物注射到患者体内。

Mirkin将其称为“混合法”，即成分完全无结构。与此形成鲜明对比的是，结构纳米药物可用于组织抗原和佐剂。当在纳米级结构时，这些相同的药物成分表现出更高的疗效。与非结构药物相比，副作用减少。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精确。

“一批中没有两种药物是相同的，”Mirkin说。

纳米疫苗具有不同数量的脂质、不同的脂质表现形式、不同数量的RNA和不同大小的颗粒。纳米药物配方中有无数变量。这种不一致导致了不确定性。在众多可能性中，你无法知道你是否拥有最有效、最安全的构造。“

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从协同组装转向分子精度

为了解决这个问题，Mirkin、Mrksich和Artzi倡导转向更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构建纳米药物，这些核心结构可以在受控的空间排列中用多种治疗成分进行精确设计。

通过在原子水平上控制设计，研究人员可以释放前所未有的能力，包括将多种功能集成到在这篇论文中，作者引用了三个开创性的结构纳米药物的例子：球形核酸（SNAs）化学耀斑和大分子。

SNAs由Mirkin发明，是一种球状的DNA，可以很容易地进入细胞并与靶标结合。SNA比同一序列的线性DNA更有效，在基因调节、基因编辑、药物递送和疫苗开发方面显示出显著的潜力，即使在某些情况下，在临床环境中治愈致命形式的皮肤癌症也是如此。Mirkin说：“我们已经证明，基于SNA的疫苗或治疗药物的整体结构表现——而不仅仅是活性化学成分——会极大地影响其效力。”。

“这一发现可能会导致许多不同类型癌症的治疗。在某些情况下，我们已经用它治愈了无法用任何其他已知疗法治疗的患者。”

由Artzi和Mirkin开创的化学发光剂是一种智能纳米结构，可以根据癌症细胞中与疾病相关的提示释放化学治疗药物。Mrksich发明的大分子是精确组装的蛋白质结构，可以模仿抗体。研究人员可以设计所有这些类型的结构纳米药物，以携带多种治疗剂或诊断工具。Artzi说：“通过利用疾病特异性组织和细胞线索，下一代纳米药物可以实现高度局部化和及时的药物释放，从而改变疗法在体内的作用方式和位置。”。

“这种精确度对于联合治疗尤其重要，在联合治疗中，多种药物的协调输送可以显著提高治疗效果，同时降低全身毒性并最大限度地减少脱靶效应。这种智能、反应灵敏的系统是克服传统药物输送局限性的关键一步。”

作者说，在设计中利用人工智能

未来，研究人员将需要解决当前在可扩展性、可重复性、输送和多种治疗药物整合方面的挑战。作者还强调了机器学习和人工智能（AI）等新兴技术在优化设计和交付参数方面日益重要的作用。Mirkin说：“在研究结构时，有时会有数以万计的可能性来排列纳米药物上的成分。”。

“通过人工智能，我们可以将大量未探索的结构缩小到少数几个，以便在实验室进行合成和测试。通过控制结构，我们可以创造出副作用可能性最低的最有效的药物。

”我们可以重组核酸等药物成分，创造出具有远远超出我们用标准DNA和RNA所见过的特性的实体。这只是一个开始，我们很高兴看到接下来会发生什么。我们即将迎来一个全新的结构医学时代，西北大学将处于领先地位。p