納米醫(yī)學(xué)放異彩

沈羨云

納米是長(zhǎng)度單位，1納米只有1米的十億分之一。1納米中只能排三四個(gè)原子，比單個(gè)細(xì)菌、紅血球和病毒的長(zhǎng)度還要小得多。如果我們做成一個(gè)直徑只有1納米的小球，將其放在一個(gè)乒乓球上，從比例上看，就相當(dāng)于把1個(gè)乒乓球放在地球上。有了納米技術(shù)，我們就能夠從分子水平上認(rèn)識(shí)世界，改善人類的整個(gè)生命系統(tǒng)。納米技術(shù)自發(fā)明以來(lái)，已經(jīng)在醫(yī)學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。目前，科學(xué)家通過(guò)精心設(shè)計(jì)，已成功將微納米機(jī)器人應(yīng)用于生物探測(cè)、智能載藥、可控藥物釋放、血栓清除、殺死腫瘤細(xì)胞、環(huán)境污染物監(jiān)測(cè)、環(huán)境治理、微納米組裝等多個(gè)領(lǐng)域。下面我們將介紹這些領(lǐng)域取得的部分進(jìn)展。

納米藥物

我們平時(shí)用藥，通常采用口服或打針的方式，如果將藥物變成納米尺寸的顆粒，就可以讓皮膚來(lái)“吃”（即吸收）藥物。如果把這種納米藥物做成膏藥，貼在患處，皮膚就可以直接吸收藥物，免去針管注射的痛苦和感染等副作用。有半數(shù)以上的新藥存在難以溶解和吸收的問(wèn)題，如果將藥物變成納米粉或納米粉的懸浮液，則會(huì)很容易被人體吸收。此外，一般藥物沒(méi)有靶向和定位釋放的功能，納米藥物卻可以做到此點(diǎn)。

納米技術(shù)與藥學(xué)相結(jié)合，將藥物與輔料制成粒徑為1～1000 nm 的載藥粒子（如納米粒、納米脂質(zhì)體、納米乳）或納米藥物晶體，便衍生出了納米藥物。根據(jù)納米藥物生產(chǎn)方式不同，大體分為兩類：一類是將納米顆粒作為藥物載體，把藥物溶解后包裹于內(nèi)，或者吸附在載體表面；另一類是將原材料加工制成的納米粒作為診療藥物。

納米人工紅細(xì)胞

眾所周知，呼吸是人最重要的生命體征之一，一旦停止呼吸，生命也將終止。人時(shí)刻都在呼吸，這是因?yàn)槲覀冃枰鯕?，尤其在運(yùn)動(dòng)時(shí)，呼吸顯得更為重要。當(dāng)我們奔跑的時(shí)候，往往會(huì)覺(jué)得很累，這是因?yàn)閯×疫\(yùn)動(dòng)要消耗很多氧氣，而呼吸又不能馬上補(bǔ)充這種消耗，因此造成身體不能得到充足的氧氣，就會(huì)覺(jué)得筋疲力盡。有沒(méi)有可能讓我們總能得到充足的氧氣呢？這種愿望是有可能實(shí)現(xiàn)的?？茖W(xué)家正試圖利用納米技術(shù)制造一種紅細(xì)胞，它不僅可以補(bǔ)充人在運(yùn)動(dòng)時(shí)的氧需求，而且在人出現(xiàn)意外時(shí)，它也是一顆“救命丸”。

我們知道，腦細(xì)胞缺氧6～10分鐘后即出現(xiàn)壞死，內(nèi)臟器官缺氧后也會(huì)呈現(xiàn)功能衰竭。設(shè)想有一種裝備超小型納米泵的人工紅血球，攜氧量是天然紅血球的200倍以上，當(dāng)人的心臟因意外突然停止跳動(dòng)時(shí)，醫(yī)生可以馬上將大量的這種人工紅血球注入人體，提供生命賴以生存的氧，以維持整個(gè)肌體的正常生理活動(dòng)。納米技術(shù)專家初步設(shè)計(jì)了一種納米人工紅細(xì)胞，它的原理是用一個(gè)可以雙向旋轉(zhuǎn)的渦軸的選通柵門來(lái)控制氧氣從小球中釋放，通過(guò)調(diào)節(jié)渦軸旋轉(zhuǎn)的速度和方向，使小球內(nèi)的氧氣根據(jù)人體需氧的多少以一定的速率釋放到外部血液中，同時(shí)使供氧裝置在富氧的地方具有吸收氧氣的功能，而在需氧的地方具有釋放氧氣的功能。初步設(shè)計(jì)的納米人工紅細(xì)胞是一個(gè)金剛石的氧氣容器，內(nèi)部有1000個(gè)大氣壓，泵動(dòng)力來(lái)自血清葡萄糖，它輸送氧的能力是同等體積天然紅細(xì)胞的200多倍。它可以應(yīng)用于貧血的局部治療以及人工呼吸、肺衰竭和體育運(yùn)動(dòng)需要的額外耗氧等。

納米機(jī)器人

談到機(jī)器人，你腦中浮現(xiàn)出什么？一定是那些巨大的機(jī)器怪獸，嫵媚的人形機(jī)器人吧?，F(xiàn)在科學(xué)家正在研制一種小到納米級(jí)的機(jī)器人。納米機(jī)器人的概念最早是由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主理查德·費(fèi)曼于1959年提出的。他認(rèn)為人類未來(lái)有可能建造一種分子大小的微型機(jī)器，可以把分子甚至原子作為建筑構(gòu)件，在極其小的空間里構(gòu)建物質(zhì)。

納米機(jī)器人的研制屬于分子仿生學(xué)范疇，它根據(jù)分子水平的生物學(xué)原理設(shè)計(jì)制造，并在納米空間控制、操作。納米機(jī)器人將在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用，尤其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，它可以精準(zhǔn)殺死癌細(xì)胞、疏通血栓、清除動(dòng)脈內(nèi)的脂肪沉積、清潔傷口等。下面僅舉幾個(gè)例子說(shuō)明。

餓死癌細(xì)胞

惡性腫瘤是危害人類健康的一大殺手。腫瘤的血管系統(tǒng)與腫瘤的生長(zhǎng)、侵襲及轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。通過(guò)阻塞腫瘤血管的營(yíng)養(yǎng)和氧氣輸運(yùn)從而“餓死”腫瘤的治療思路目前已廣泛應(yīng)用于肝癌等惡性腫瘤的物理介入治療。血液中的凝血酶是肌體凝血系統(tǒng)的一種關(guān)鍵酶，能夠快速、高效地誘導(dǎo)血栓形成。如果將凝血酶作為特定的“貨物”裝載在納米機(jī)器人的內(nèi)部，通過(guò)靶向運(yùn)輸并精確釋放至腫瘤血管，誘導(dǎo)凝血產(chǎn)生血栓，就可以通過(guò)栓塞腫瘤達(dá)到高效抑制腫瘤生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移的目的。

根據(jù)這種看似“異想天開(kāi)”的設(shè)想，中國(guó)納米科學(xué)中心團(tuán)隊(duì)研制了一種DNA納米機(jī)器人，用于運(yùn)輸凝血酶進(jìn)行腫瘤治療。其工作原理是利用DNA折紙術(shù)構(gòu)建智能化的分子機(jī)器，將“貨物”——凝血酶包裹在分子機(jī)器的內(nèi)部空腔，使其處于一種非活性狀態(tài)；分子機(jī)器兩端裝載“雷達(dá)”——核酸適配體，提供靶向識(shí)別和定位功能。當(dāng)DNA納米機(jī)器人到達(dá)腫瘤血管時(shí)，納米機(jī)器上的“鎖”識(shí)別特異標(biāo)志物發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，使得“鎖”從閉合狀態(tài)變?yōu)殚_(kāi)啟狀態(tài)，整個(gè)納米機(jī)器由管狀結(jié)構(gòu)打開(kāi)變?yōu)槠矫娼Y(jié)構(gòu)，暴露出內(nèi)部裝載的“貨物”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)栓塞的功能。中國(guó)納米科學(xué)中心團(tuán)隊(duì)在細(xì)胞和活體水平分別進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示這種DNA納米機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)凝血酶在活體內(nèi)的精準(zhǔn)運(yùn)輸和定點(diǎn)栓塞，對(duì)于很多癌癥都有良好的治療效果。

血栓的克星

人體的血液就像水，血管就像水管，血栓就像塞子，塞子會(huì)隨著水到處游走，當(dāng)管子直徑小于塞子時(shí)，塞子就通不過(guò)，將會(huì)發(fā)生堵塞。如果塞子將水管堵住了，那么水將過(guò)不去；如果血液中出現(xiàn)血栓，血液就無(wú)法流遍全身，將會(huì)發(fā)生生命危險(xiǎn)。血栓雖小，但危害卻很大。用納米機(jī)器人清除血栓是一種好方法。

科學(xué)家研究出一種用模擬野生蜂群的納米機(jī)器人消除血栓的方法，這一突破性方法邁出了血栓治療的第一步?？茖W(xué)家通過(guò)振蕩磁場(chǎng)創(chuàng)造了具有高重組性的帶狀“蜂群”，該“蜂群”由上千萬(wàn)個(gè)磁性納米粒子組成，每個(gè)納米粒子的長(zhǎng)度不超過(guò)1微米，不到血紅細(xì)胞直徑的五分之一。當(dāng)程序員對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的時(shí)候，納米機(jī)器人所組成的“超微型蜂群”能夠產(chǎn)生擴(kuò)張、收縮、分裂、合并等結(jié)構(gòu)變化，并且精確度非常高。外科醫(yī)生可以通過(guò)操控納米機(jī)器人來(lái)治療存在于密集復(fù)雜血管之間的血栓，并將抗凝血藥物送至細(xì)胞。這種納米機(jī)器人為治療血栓提供了新思路。

藥物運(yùn)輸員

將藥物準(zhǔn)確地運(yùn)送到人體需要的部位，是提高藥物治療效果、降低副作用的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的藥物運(yùn)輸載體主要依賴系統(tǒng)的循環(huán)，缺少定點(diǎn)運(yùn)輸、組織滲透等驅(qū)動(dòng)導(dǎo)航能力，而納米機(jī)器人卻能克服這些缺點(diǎn)，成為藥物運(yùn)輸?shù)睦硐胼d體。納米機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)藥物的快速、精準(zhǔn)釋放，并提高藥物療效、減輕副作用。

以色列科學(xué)家最近研制出一種微型納米機(jī)器人，它可以在人體內(nèi)“巡邏”，鎖定病灶后可以自動(dòng)釋放所攜帶的藥物。當(dāng)你感冒時(shí)，醫(yī)生不用給你打針開(kāi)藥，而是將納米機(jī)器人植入你的體內(nèi)。這種機(jī)器人可以在人體內(nèi)探測(cè)感冒病毒的源頭，并到達(dá)病毒所在處，直接釋放藥物殺滅病毒。

瑞士科學(xué)家受細(xì)菌啟發(fā)，研發(fā)出一種可以在人體體液中游動(dòng)的柔性機(jī)器人，它可把救命藥物送到人體內(nèi)難以到達(dá)的地方。這種機(jī)器人具有生物相容性，能夠根據(jù)需要改變形狀，并且可以通過(guò)狹窄的血管。這種機(jī)器人采用的是水凝膠納米復(fù)合材料。研究人員在這種材料中加入磁性納米顆粒，以感應(yīng)周圍電場(chǎng)的變化。這些機(jī)器人被“編程”后，根據(jù)指令或提前變形，或利用流體流動(dòng)自行導(dǎo)航通過(guò)腔體。

納米蜘蛛機(jī)器人

美國(guó)哥倫比亞大學(xué)研究人員成功研制出一種由DNA分子構(gòu)成的納米蜘蛛機(jī)器人，它能夠跟隨DNA的運(yùn)行軌跡自由地行走、轉(zhuǎn)向以及停止。這種納米蜘蛛機(jī)器人的直徑僅有4納米，不到人類頭發(fā)直徑的十萬(wàn)分之一。雖然以前研制出的DNA分子機(jī)器人也具有行走功能，但不會(huì)超過(guò)“3步”，而納米蜘蛛機(jī)器人卻能行走100納米的距離，相當(dāng)于行走“50步”。

納米診斷和檢測(cè)技術(shù)

在醫(yī)療領(lǐng)域，“早發(fā)現(xiàn)，早治療”已經(jīng)成為一個(gè)醫(yī)學(xué)常識(shí)，但傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)精度和準(zhǔn)確度都難以達(dá)到“早發(fā)現(xiàn)”的要求。因此，在檢測(cè)和診斷疾病方面，科學(xué)家將目光轉(zhuǎn)向納米技術(shù)。

納米粒子在疾病的診斷和治療方面均具有獨(dú)特的作用。納米粒子不僅可以在體內(nèi)特定區(qū)域進(jìn)行造影從而對(duì)局部環(huán)境信息進(jìn)行反饋，還能作為診斷設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，在體外對(duì)血液等樣品進(jìn)行快速檢測(cè)。醫(yī)生利用納米技術(shù)可以減少疾病檢測(cè)的時(shí)間和成本，挽救更多的生命。

納米成像技術(shù)

納米材料在生物醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用中表現(xiàn)出許多優(yōu)良的物理特性。在納米成像領(lǐng)域， 小型超順磁性氧化鐵納米顆粒已被廣泛用作磁共振成像造影劑，進(jìn)行癌癥成像檢測(cè)。與傳統(tǒng)的診斷方法相比， 納米成像技術(shù)甚至可以提前幾年發(fā)現(xiàn)一些癌細(xì)胞。

納米探針

納米探針是一種探測(cè)單個(gè)活細(xì)胞的納米傳感器，探頭尺寸僅為納米量級(jí)。醫(yī)生根據(jù)不同的診斷和檢測(cè)目的，將納米探針植入人體后，或定位于體內(nèi)的不同部位，或讓納米探針隨血液在體內(nèi)運(yùn)行，納米探針則可隨時(shí)將體內(nèi)的不同部位或血液內(nèi)的各種生物信息反饋到體外記錄裝置。此技術(shù)將來(lái)有望成為醫(yī)學(xué)界最常用的手段。

納米細(xì)胞檢疫器

納米細(xì)胞檢疫器又稱納米秤，能稱出質(zhì)量為10-9克的物質(zhì)，即相當(dāng)于1個(gè)病毒的重量。納米細(xì)胞檢疫器可定點(diǎn)用于人體口腔、咽喉、食管、氣管等部位的檢疫。

納米傳感器

納米傳感器將其細(xì)小的尖端插入活細(xì)胞內(nèi)，不僅不會(huì)干擾細(xì)胞的正常生理過(guò)程，還可以獲取活細(xì)胞內(nèi)的動(dòng)態(tài)化學(xué)信息及整體的功能狀態(tài)。中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所唐芳瓊研究組在納米增強(qiáng)的酶生物傳感器研究方面取得了重要進(jìn)展。此研究成果是采用四氧化三鐵納米顆粒構(gòu)建高靈敏度葡萄糖生物傳感器。研究表明，該生物傳感器具有良好的抗干擾性，在實(shí)際血清的檢測(cè)中表現(xiàn)出很好的檢測(cè)效果。

納米技術(shù)需要攻克哪些難關(guān)

納米技術(shù)在醫(yī)療等領(lǐng)域的革命才剛剛開(kāi)始，其發(fā)展也不如想象中的一帆風(fēng)順，主要有兩個(gè)問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題是納米材料的安全性問(wèn)題。納米材料與其他材料相比，具有許多不同的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性，人們對(duì)其潛在毒性、次級(jí)效應(yīng)、生物降解能力也存在質(zhì)疑。納米粒子在完成藥物遞送或者組織成像后，其在體內(nèi)的長(zhǎng)期滯留過(guò)程目前還未被深入研究。這些粒子可能被降解或者被腎清除出體外，也可能聚集在個(gè)別器官與細(xì)胞發(fā)生作用。如何評(píng)價(jià)納米醫(yī)藥的安全性和毒性，如何優(yōu)化納米技術(shù)使這些醫(yī)藥材料適合于人體生物系統(tǒng)，以及如何避免或降低可能出現(xiàn)的毒副反應(yīng)，成為擺在人們面前的一個(gè)重要問(wèn)題。第二個(gè)問(wèn)題是工藝流程也存在諸多瓶頸。與生物工程和化學(xué)合成不同， 生物納米顆粒的制備是物理過(guò)程， 顆粒中材料分子與活性物分子間有無(wú)數(shù)的排列組合方式， 而制備過(guò)程中無(wú)法用簡(jiǎn)單的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

綜上所述，和其他前沿學(xué)科一樣，納米醫(yī)學(xué)也充滿了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。但我們完全可以相信，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著人類對(duì)生物醫(yī)學(xué)研究的深入以及生物安全性等問(wèn)題的解決，納米技術(shù)將成為醫(yī)學(xué)研究和臨床治療中的一個(gè)重要手段，為許多重大疾病患者帶來(lái)福音。