在癌症治療領域,分子風鎚(Molecular Jackhammers)技術代表了一項突破性的創新,透過近紅外光激活胺基氰染料分子,產生協調的全分子振動,從而物理性地破壞癌細胞膜。這項技術由美國萊斯大學(Rice University)、德州農工大學(Texas A&M University)以及德州大學MD Anderson癌症中心的研究團隊共同開發,並於2023年12月發表在《Nature Chemistry》期刊上。 該研究不僅展示了99%的體外癌細胞殺傷效率,還在小鼠模型中實現了50%的腫瘤完全消失率,為癌症治療提供了全新的物理機械途徑。 隨著2025年的最新進展,這項技術持續優化,顯示出向臨床應用邁進的強大潛力。
分子風鎚的核心是胺基氰類分子(aminocyanines),這是一種常用於醫學成像的熒光合成染料,具有生物相容性強、水中穩定且易於附著細胞膜脂質雙層的特點。 這些分子結構近對稱,並帶有長側臂,有助於錨定在癌細胞膜的外脂質層上。當暴露於近紅外光(波長約730 nm)下時,分子內的電子被激發,形成等離子體(plasmon),進而觸發亞皮秒級的協調全分子振動。 這種振動被稱為振動驅動作用(Vibronic-Driven Action, VDA),其頻率高達每秒數十億次,類似微型風鎚般敲擊細胞膜,導致膜快速破裂並引發壞死(necrosis)。
從量子力學角度看,時間依賴密度泛函理論(Time-Dependent Density Functional Theory, TD-DFT)計算顯示,Cy7.5-胺等分子展現縱向和橫向等離子體共振,這些共振放大振動能量,使分子整體運動如同一體化的機械裝置。 與傳統分子馬達(如Feringa型)相比,分子風鎚的機械運動速度快超過百萬倍,且使用近紅外光激活,而非可見光,這大大提升了組織穿透深度——近紅外光可深入人體10厘米,而可見光僅0.5厘米。 這種光激活方式不僅能量低(80 mW cm⁻²),還避免了熱效應或活性氧物種(ROS)的產生,確保了治療的精準性和安全性。
研究團隊強調,這是首次利用分子等離子體來產生機械作用,實現分子尺度上的物理破壞。 胺基氰分子的選擇基於其長期在成像中的應用,證明其生物相容性;同時,振動模式不受ROS抑制劑影響,突顯了其獨立的機械途徑。 這項技術的創新在於將光物理學與分子力學結合,開創了癌症治療的新範式。
在體外實驗中,研究者使用A375人類黑色素瘤細胞作為模型,將胺基氰分子(如Cy7.5-胺)以500 nM濃度孵育30分鐘,隨後以730 nm近紅外光照射(80 mW cm⁻²,持續2.5分鐘,總劑量12 J cm⁻²)。 流式細胞術(flow cytometry)分析顯示,細胞膜通透性顯著增加,使用DAPI染色評估膜完整性,每條件分析10,000個細胞。 共聚焦顯微鏡(confocal microscopy)進一步確認,激發波長640 nm下,平均分析75個細胞,顯示振動導致膜快速破裂,殺傷率高達99%。 晶紫染色試驗(crystal violet assay)和克隆形成試驗(clonogenic assay)量化了細胞存活率,在1 µM濃度和10分鐘照射下,實現完全根除。
為模擬細胞膜環境,研究還使用巨型單層脂質體(Giant Unilamellar Vesicles, GUVs),以DPhPC脂質構成,添加2 µM Cy5.5-胺或Cy5-胺,640 nm激光(50 µW)照射,每10秒成像,觀察到脂質體膜的即時破壞。 這些實驗證明了VDA的機械效率,且在低濃度和低光劑量下即可生效。
轉向體內實驗,小鼠模型使用B16-F10黑色素瘤腫瘤,將癌細胞注射生成腫瘤後,施用Cy7.5-胺並進行光照射。 結果顯示,50%的治療小鼠腫瘤完全消失,且無明顯毒性。 統計數據支持了治療的有效性,突顯分子風鎚在活體環境中的適用性。2025年的更新研究進一步驗證了這一效率,顯示在其他癌型如骨癌中的潛力。 整個實驗設計嚴謹,包括溫度測量確認無熱殺傷,以及ROS測量確保機制純機械。
分子風鎚技術的優勢在於其物理破壞機制,癌細胞難以發展抗性,因為它不依賴特定生物途徑,而是直接針對細胞膜結構。 與光動力療法(photodynamic therapy)或光熱療法(photothermal therapy)不同,VDA不受ROS抑制劑影響,且不產生熱效應,使其適用於敏感組織。 近紅外光的深層穿透允許非侵入式治療,適合皮膚癌、淺層腫瘤或結合奈米載體的深部應用。
創新之處包括分子等離子體的利用,這是首次用於產生機械行動,開拓了分子機器的新世代。 研究者詹姆斯·圖爾(James Tour)指出,這比以往分子馬達快百萬倍,為癌症治療注入了高效機械力量。 此外,胺基氰分子的生物相容性確保了安全性,僅需低濃度即可發揮作用。
這項技術的應用前景廣闊,尤其在黑色素瘤治療中,已證明高效。 未來可擴展至其他癌型,如腦癌或骨癌,透過優化分子庫提升光物理特性。 結合光動力療法,可進一步提高效率。 2025年的研究更新顯示,分子風鎚可整合奈米技術,實現精準靶向遞送,擴大治療範圍。
在臨床方面,雖然仍處早期,但其低副作用、非侵入特性預示著轉型為常規療程的可能性。想像未來,患者僅需幾次光照射,即可有效控制腫瘤。 團隊正推進分子優化與動物模型擴展,為人類試驗鋪路。
分子風鎚技術以光激發的振動模式,開創了癌症治療的機械時代,提供高效、安全的解決方案。這項由多機構合作的成果,不僅在實驗中展現卓越效能,還為醫學創新注入了新活力。隨著持續研究,這束光將照亮抗癌之路。
以下為文章中引用的來源清單:
資料原文: 亞洲新聞稿聯綱: https://www.pressasia/content/43/分子風鎚技術:光激發振動模式革新癌症治療
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