納米技術(shù)與檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)相關(guān)性的研究概況

孫本海 金仲品

【摘要】 納米技術(shù)（NT）則是近年來發(fā)展起來的一門很有前景的新興高科技學(xué)科。它是以長(zhǎng)度在0.1～100nm空間尺度內(nèi)操縱原子和分子，進(jìn)行材料深加工，制造具有特定功能的產(chǎn)品、也可對(duì)某物質(zhì)進(jìn)行研究、掌握其原子和分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性的學(xué)科。用途非常廣泛，就檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，已取得初步成果的有：在磁性納米粒方面有，生物活性物質(zhì)和異生質(zhì)分析與檢測(cè)以及生物活性物質(zhì)或細(xì)胞的富集等；在納米粒子方面有：可作為定量標(biāo)簽用于生物分析，作為信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)物等。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，檢驗(yàn)技術(shù)也將隨著發(fā)展，兩者相關(guān)性極為密切。

【關(guān)鍵詞】 納米；檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)；納米技術(shù)；磁性納米粒；納米粒子

作者單位：256617 山東省濱州市結(jié)核病防治院（孫本海）； 濱州職業(yè)學(xué)院（金仲品）

納米是一種長(zhǎng)度計(jì)量單位，又稱為毫微米（10^-9m）。納米技術(shù)（Nanoscale technology，NT）是一門在0.1～100nm空間尺度內(nèi)操縱原子和分子，對(duì)材料進(jìn)行加工，制造具有特定功能的產(chǎn)品、或?qū)δ澄镔|(zhì)進(jìn)行研究、掌握其原子和分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性的嶄新高技術(shù)學(xué)科。NT領(lǐng)域不僅包括納米材料學(xué)、納米電子學(xué)、納米制造學(xué)、納米生物學(xué)和納米顯微學(xué)、納米機(jī)械加工技術(shù)，而且是多學(xué)科交叉的橫斷學(xué)科［1］。NT產(chǎn)生的基礎(chǔ)是現(xiàn)代化學(xué)、物理學(xué)和先進(jìn)工程技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是與高技術(shù)緊密結(jié)合的一門新型科學(xué)技術(shù)。生物醫(yī)學(xué)工程是現(xiàn)代生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)、工程學(xué)相結(jié)合而發(fā)展起來的邊緣學(xué)科，它與信息、材料、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)密切相關(guān)。Zhongguo［2］研究發(fā)現(xiàn)NT的發(fā)展正越來越成為世界各國科技界所關(guān)注的焦點(diǎn)，誰能在這一領(lǐng)域取得領(lǐng)先，誰就能占據(jù) 21 世紀(jì)科學(xué)的制高點(diǎn)。NT可以為生物醫(yī)學(xué)工程中的諸多方面提供堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)和強(qiáng)有力的技術(shù)保證。Song等［3］總結(jié)了快速發(fā)展的納米微粒和生物分子軛合物的制備方法，已逐漸將生物連接制備的納米粒子商品化，并對(duì)檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

1 磁性納米粒

Li等［4］認(rèn)為磁性納米粒（magnetic nanoparticle）已廣泛用于生物分子固定化的載體和有機(jī)固相合成，其中磁性材料主要有鐵、鈷、鎳等過渡金屬及其氧化物和混合材料等。磁性納米粒具有超順磁性，在外磁場(chǎng)作用下，固液相的分離非常簡(jiǎn)單，不需離心、過濾等繁雜的操作，撤去磁場(chǎng)后沒有剩磁殘留，并在外磁場(chǎng)作用下可以定位。磁性納米?？赏ㄟ^共聚、表面改性賦予其表面多種反應(yīng)性功能基，可連接各種基團(tuán)或DNA片段而用于不同的檢測(cè)。

1.1 生物活性物質(zhì)和異生質(zhì)分析與檢測(cè) 生物活性物質(zhì)的檢測(cè)方法雖然很多，但以抗體為基礎(chǔ)的技術(shù)不多而且是最重要的。目前采用免疫分析加上磁性修飾已成功地用于檢測(cè)各種生物活性物質(zhì)和異生質(zhì)（如藥物、致癌物等）。在納米磁球表面固定上特異性抗體或抗原，并以熒光染料、放射性同位素、酶或化學(xué)發(fā)光物質(zhì)為基礎(chǔ)所產(chǎn)生的檢測(cè)，與傳統(tǒng)微量滴定板技術(shù)相比，具有更簡(jiǎn)單、快速和靈敏的特點(diǎn)。Helden等［5］將抗體連接的納米磁性微球與高效率、快速的化學(xué)發(fā)光免疫測(cè)定技術(shù)相結(jié)合的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，已成功地用于血清中人免疫缺陷病毒1型和2型抗體的檢測(cè)。還創(chuàng)建了用于人胰島素檢測(cè)的全自動(dòng)夾心法免疫測(cè)定技術(shù)，其中亦用到抗體蛋白A納米磁性微粒復(fù)合物和堿性磷酸酶標(biāo)記二抗。

1.2 免疫磁性微球 檢測(cè)生物活性物質(zhì)或細(xì)胞的富集是在檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)中一項(xiàng)重要內(nèi)容，親和配體技術(shù)在分選和回收方面提供了強(qiáng)有力的工具。Taubert等［7］采用白細(xì)胞分化抗原單抗標(biāo)記的IMMS除去外周血中的白細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)癌細(xì)胞的富集，隨后用免疫細(xì)胞化學(xué)方法檢測(cè)癌細(xì)胞。如果將寡核苷酸（dT）鏈交聯(lián)到納米磁性微粒上，即可用于真核細(xì)胞mRNA的分離純化。Nagy等［8］已用胎兒紅細(xì)胞抗原標(biāo)記的免疫磁性微球很容易將母體外周血中的極少量胎兒細(xì)胞富集，該方法簡(jiǎn)便，并能通過進(jìn)一步熒光PCR檢測(cè)確定胎兒性別，進(jìn)行非創(chuàng)傷性產(chǎn)前診斷。對(duì)癌癥的早期診斷是醫(yī)學(xué)界極為關(guān)注的難題。從理論推測(cè)，利用免疫磁性微球進(jìn)行細(xì)胞分離技術(shù)可在早期癌癥患者血液中檢出癌細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的早期診斷。

2 納米粒子

納米粒子表面積大而直徑很小，偶聯(lián)容量高，懸浮穩(wěn)定性較好，便于發(fā)生各種高效反應(yīng)，常用于各種不同的生物分析系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的生物制劑相比較，納米粒子作為一種試劑有很多優(yōu)越性。

2.1 納米粒子作定量標(biāo)簽用于生物分析 與傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料或放射性元素的標(biāo)記相比，納米粒子作為生物分析不僅可以代替，而且克服了它們的缺點(diǎn)。納米粒子的主要兩個(gè)領(lǐng)域是：金屬納米粒子和量子點(diǎn)（quantum dot，QD）。

2.1.1 金屬納米粒子 金屬納米粒子可用于包括光學(xué)、電化學(xué)、顯微學(xué)和質(zhì)譜等多種檢測(cè)途徑。Rojas-Cha-pana等［9］將膠體金用于電子顯微鏡檢測(cè)，如用掃描隧道顯微鏡通過檢測(cè)DNA的表面密度而用于目標(biāo)序列的檢測(cè)，在此系統(tǒng)中先將膠體金標(biāo)記的dT探針與被測(cè)DNA序列雜交，使目標(biāo)序列帶上膠體金標(biāo)記鏈。Leary等［10］將納米金屬粒子標(biāo)記到dT探針上，與樣品中的目標(biāo)DNA序列雜交，然后在金屬納米粒子上沉析出銀，通過電勢(shì)測(cè)定法檢測(cè)目標(biāo)序列。Huang等［11］則將電感耦合等離子體質(zhì)譜測(cè)定法（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICPMS）和夾心免疫測(cè)定法相結(jié)合建立了一種新的免疫檢測(cè)方法。在這個(gè)系統(tǒng)中，他們將膠體金標(biāo)記的羊抗兔抗體作為ICPMS的分析物間接檢測(cè)兔抗人IgG。這個(gè)系統(tǒng)還可通過在分析物上標(biāo)記不同無機(jī)納米粒，而達(dá)到同時(shí)檢測(cè)不同物質(zhì)的目的。

2.1.2 量子點(diǎn) 利用量子的限制作用，賦予納米粒子獨(dú)特的光學(xué)和電子的特性，也稱為半導(dǎo)體納米微晶體。這是一種最新的熒光材料，QD能夠克服熒光分子重要的化學(xué)和光學(xué)局限性而具有多種特性，如根據(jù)QD的大小，可產(chǎn)生多種顏色，在同一激發(fā)波長(zhǎng)下，不同長(zhǎng)短直徑的QD可發(fā)出不同顏色的激發(fā)光，利用這一特點(diǎn)，可同時(shí)檢測(cè)多種指標(biāo)的要求，這是傳統(tǒng)染料分子根本無法實(shí)現(xiàn)的；QD的熒光時(shí)間較普通熒光分子延長(zhǎng)數(shù)千倍，并便于長(zhǎng)期追蹤和保存結(jié)果。QD技術(shù)可用于檢測(cè)活細(xì)胞里多種蛋白質(zhì)活動(dòng)［11］。Leary等［9］在QD上包被一層迪羥基硫辛酸（di hydroxy lipoic acid，DHLA）后，則易與親和素連接，再針對(duì)不同的QD給予不同的蛋白質(zhì)抗體，制備出具有蛋白質(zhì)專一性的一批QD。

2.2 納米粒子作信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)物 納米粒子（Nanoparticles，NPs）在檢驗(yàn)診斷中作為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)物，可免去標(biāo)記生物樣品的需要，就可顯示出巨大的發(fā)展空間。由于免去樣品制備的步驟，使檢驗(yàn)技術(shù)變得更簡(jiǎn)便和價(jià)廉。在這個(gè)系統(tǒng)中，納米粒子對(duì)生物復(fù)合物的干擾作用或納米粒子之間相對(duì)位置的改變都可成為一種檢測(cè)信號(hào)。Hirsch等［12］根據(jù)以上原理建立了一種其他金屬納米粒子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的應(yīng)用，包括金納米粒子介導(dǎo)的熒光淬滅，凝集反應(yīng)檢測(cè)血液中的免疫球蛋白方法。2006年Li等［4］這個(gè)系統(tǒng)中開發(fā)了一種新型生物傳感器，這種傳感器的核為直徑2.5nm的金微粒，外面包裹一層dT分子，該分子的一端為巰基，一端聯(lián)有熒光分子，由于納米金微粒是一種有效的能量受體，能夠作為熒光的淬滅物，當(dāng)這種傳感器與樣品中的目標(biāo)分子雜交后，引起傳感器構(gòu)像的改變，導(dǎo)致淬滅的熒光分子復(fù)原。再則，由于此系統(tǒng)熒光背景極低，與傳統(tǒng)的有機(jī)淬滅物相比，該類傳感器具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性。

3 小結(jié)

作為一門新興學(xué)科的NT近年來被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域剛剛開始，基本處于探索階段，就已顯示出將推動(dòng)檢驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展?jié)撃?。從含有納米微粒的各種實(shí)驗(yàn)方法來看，納米微粒在檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值與現(xiàn)有技術(shù)相比，它的特異性、靈敏度和速度等性能都有了極大提高。隨著NT的發(fā)展，在不久的將來一定會(huì)有更多的新納米材料出現(xiàn)，并被應(yīng)用于新的檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)的檢測(cè)方法中，檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)將出現(xiàn)劃時(shí)代的進(jìn)展。

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