细胞力转导信号是物理治疗的重要目标。最近，利用超声波技术进行物理疗法成为刺激细胞活动的一种极具吸引力的工具。然而，超声波的机械刺激是由高功率设备产生的，并由纳米粒子或小分子化合物放大，往往会导致能量在组织中积聚而产生热损伤以及其他不良副作用。相比之下，机器人驱动是一种柔软、便捷的策略，简化了能量转换，并直接对相关细胞区域施加压力，从而克服了超声波疗法的局限性，大大提高了患者的依从性。

在此，清华大学张洪杰团队开发了一种机器人驱动介导的疗法，利用温和的机械负载来激活机械敏感离子通道。由此产生的钙流入精确调节重组肿瘤抑制蛋白和死亡相关蛋白激酶的表达，通过半胱天冬酶依赖性途径导致癌细胞系程序性凋亡。这种源自按摩的疗法代表了一种癌症治疗的量化策略。相关成果以“Robotic Actuation-Mediated Quantitative Mechanogenetics for Noninvasive and On-Demand Cancer Therapy”发表在《Advanced Science》上。

图1. 用于肿瘤治疗的机械加载（ML）诱导基因表达系统

在这里，文章采用了一种新颖的非侵入性治疗方法，利用机器人驱动介导的机械刺激进行低能耗物理治疗。首先，建立了一个细胞成像系统，采用三维细胞培养和共聚焦显微镜观察机械信号到生化信号的转换。通过该系统，对机器人驱动的刺激进行了量化，并证明其能激活细胞活动。随后，在哺乳动物细胞中设计了一个机械基因回路，以建立机械信号与疾病治疗之间的直接联系。该回路包括机械敏感通道 mMscL、转录因子 NFAT 以及由 PNFAT 或 PNF6 启动的下游治疗基因。将这一机械基因回路转染到小鼠组织中，并通过机器人驱动进行刺激后，靶蛋白就会表达出来，从而达到治疗目的。研究表明，这种机械基因回路可以通过机器人驱动有效地传输和利用温和的机械信号，而无需使用高功率设备和辅助药物。此外，以机器人驱动为媒介的机械基因疗法在拓展物理治疗技术方面具有巨大潜力，并为基因疗法提供了开创性的方法。

图2. 通过机械敏感性 p53 和 DAPK3 信号通路耦合的循环 ML 刺激治疗罹患肿瘤的 Balb/c 裸小鼠

抗肿瘤蛋白 p53 和 DAPK3 通过 LV 转染到哺乳动物细胞中，作为机械基因回路的治疗基因。这两种抗肿瘤蛋白系统发挥了协同作用，增强了 p53 通路的调节作用，并激活了线粒体介导的肿瘤细胞凋亡通路。研究结果表明，激活机械基因回路可有效抑制肿瘤生长，同时促进正常细胞生长，而不会诱导转染组织出现炎症反应。这种策略专门针对标准基因疗法难以治愈的大体积肿瘤。值得注意的是，Balb/c-裸鼠的 MCF7 肿瘤（体积小于 100 立方毫米）可以通过转染机械基因电路，并在 14 天内每天用定量机器人驱动的形式进行 5 分钟治疗而完全治愈。此外，较大的肿瘤（体积 = 500 立方毫米）也能得到有效抑制。与传统的基因治疗技术形成鲜明对比的是，这种以机器人驱动为媒介的机械遗传学策略在调节基因表达和治疗大型肿瘤方面更为有效。这为癌症治疗提供了一种安全、按需的方法。

通过已建立的机器人驱动装置和机械基因回路转染模块，这项工作为癌症治疗提供了一种实用且前景广阔的治疗方法。机器人驱动是一种温和、自然的机械力，方便患者接受。此外，以机器人驱动为媒介的机械基因过程可实现更高的能量转换效率，从而达到治疗目的。与现有的遗传学技术（如声遗传学、光遗传学和电遗传学）相比，机器人致动介导的机械遗传学避免了能量积累造成的损害。通过提高基因转录效率、设计多样化的治疗效应基因、延长治疗蛋白的寿命或与其他物理疗法相结合，可进一步加强机械基因疗法的治疗效果。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202401611