纳米生物技术介绍

清风明月

纳米生物技术介绍

       纳米生物技术是基于纳米技术的生物科技的一个新的方向。这是在纳米尺度上利用纳米科技的结果认识和开放生物工程技术。纳米生物技术是国际生物技术领域的前沿和热点问题，在医药卫生领域有着广泛的应用和明确的产业化前景，特别是纳米药物载体、纳米生物传感器和成像技术以及微型智能化医疗器械等，将在疾病的诊断、治疗和卫生保健方面发挥重要作用。
　　目前，国际上纳米生物技术在医药领域的研究已取得一定的进展。美国、日本、德国等国家均已将纳米生物技术作为21世纪的科研优先项目予以重点发展。
　　美国的优先研究领域包括：生物材料（材料—组织介面、生物相容性材料），仪器（生物传感器、研究工具），治疗（药物和基因载体）等。已有一种纳米药物载体通过了FDA批准并应用于临床，密西根大学的Donald Tomalia等已经用树形聚合物发展了能够捕获病毒的“纳米陷阱”。体外实验表明“纳米陷阱”能够在流感病毒感染细胞之前就捕获它们，使病毒丧失致病的能力。
4 S% G( M( x" f) `　　日本政府在国家实验室、大学和公司设立了大量的纳米技术研究机构，并且在这些机构中间培养了一流的合作途径，其科学研究的质量和水平相当高，生物技术亦是其优先研究领域。
　　德国决定2001年启动新一轮纳米生物技术研究计划，将在今后6年内投入1亿马克，第一批21个项目的参与资金为4000万马克，计划的主要重点是研制出用于诊疗的摧毁肿瘤细胞的纳米导弹和可存储数据的微型存储器，利用该技术进一步开发出微型生物传感器，用于诊断受感染的人体血液中抗体的形成，治疗癌症和各种心血管病。
+ `7 r& `/ d( Y* s9 Y7 C* x, N　　英国政府亦在1988年正式启动纳米计划，新加坡于1995年启动国家纳米计划，澳大利亚、韩国、俄罗斯亦先后启动了国家纳米发展计划。
　　我国纳米生物技术的发展与先进国家相比，起步较晚，但“九五”期间“863计划”启动了国家纳米振兴计划，“十五”期间“863计划”将纳米生物技术列为专题项目予以优先支持发展。
　　当前纳米生物技术研究领域主要集中在以下几个方向：纳米生物材料、纳米生物器件研究和纳米生物技术在临床诊疗中的应用。
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神奇的纳米生物材料
　　纳米材料对生物医学的影响具有深远的意义，纳米医学的发展进程如何，在很大程度上取决于纳米材料科学的发展。纳米材料分为两个层次：纳米微粒和纳米固体。
) N9 V+ d' i2 K4 d! q+ M% u1 O　　如今，人们已经能够直接利用原子、分子进行生产、制备出仅包含几十个到几百万个原子的单个粒径为1~100纳米的纳米微粒，并把它们作为基本构成单元，适当排列成三维的纳米固体。纳米材料由于其结构的特殊性，表现出许多不同于传统材料的物理、化学性能。在医学领域中，纳米材料已经得到成功的应用。最引人注目的是作为药物载体，或制作人体生物医学材料，如人工肾脏、人工关节等。在纳米铁微粒表面覆一层聚合物后，可以固定蛋白质或酶，以控制生物反应。国外用纳米陶瓷微粒作载体的病毒诱导物也取得成功。由于纳米微粒比血红细胞还小许多，可以在血液中自由运行，在疾病的诊断和治疗中发挥独特作用。

药物和基因纳米载体材料将带来医学变革
5 U: e9 W( @& v　　在纳米生物材料研究中，目前研究的热点和已有较好基础及做出实质性成果的是药物纳米载体和纳米颗粒基因转移技术。这种技术是以纳米颗粒作为药物和基因转移载体，将药物、DNA和RNA等基因治疗分子包裹在纳米颗粒之中或吸附在其表面，同时也在颗粒表面耦联特异性的靶向分子，如特异性配体、单克隆抗体等，通过靶向分子与细胞表面特异性受体结合，在细胞摄取作用下进入细胞内，实现安全有效的靶向性药物和基因治疗。
　　药物纳米载体具有高度靶向、药物控制释放、提高难溶药物的溶解率和吸收率优点，提高药物疗效和降低毒副作用。纳米颗粒作为基因载体具有一些显著的优点：纳米颗粒能包裹、浓缩、保护核苷酸，使其免遭核酸酶的降解；比表面积大，具有生物亲和性，易于在其表面耦联特异性的靶向分子，实现基因治疗的特异性；在循环系统中的循环时间较普通颗粒明显延长，在一定时间内不会象普通颗粒那样迅速地被吞噬细胞清除；让核苷酸缓慢释放，有效地延长作用时间，并维持有效的产物浓度，提高转染效率和转染产物的生物利用度；代谢产物少，副作用小，无免疫排斥反应等。
　　对专利和文献资料的统计分析表明，用于恶性肿瘤诊断和治疗的药物载体主要由金属纳米颗粒、无机非金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒和生物性颗粒构成。由于毒副作用少，胶体金和铁是金属材料中作为基因载体、药物载体的重要材料。胶体金于40年前用于细胞器官染色，以便在电镜下对细胞分子进行观察与分析。胶体金对细胞外基质胶原蛋白表现出特异结合的特性，启发人们考虑用胶体金作为药物和基因的载体，用于恶性肿瘤的诊断和治疗。
　　在非金属无机材料中，磁性纳米材料最为引人注目，已成为目前新兴生物材料领域的研究热点。特别是磁性纳米颗粒表现出良好的表面效应，比表面激增，官能团密度和选择吸附能力变大，携带药物或基因的百分数量增加。在物理和生物学意义上，顺磁性或超顺磁性的纳米铁氧体纳米颗粒在外加磁场的作用下，温度上升至 40－45℃，可达到杀死肿瘤的目的。
( k1 K/ r1 w# o( c) W" `6 i2 S9 W% K　　生物降解性是药物载体或基因载体的重要特征之一，通过降解，载体与药物／基因片段定向进入靶细胞之后，表层的载体被生物降解，芯部的药物释放出来发挥疗效，避免了药物在其他组织中释放。可降解性高分子纳米药物和基因载体已成为目前恶性肿瘤诊断与治疗研究中主流，研究和发明中超过60％的药物或基因片段采用可降解性高分子生物材料作为载体，如聚丙交脂（PLA）、聚已交脂（PGA）、聚己内脂（PCL）、PMMA、聚苯乙烯（PS）、纤维素、纤维素－聚乙烯、聚羟基丙酸脂、明胶以及它们之间的共聚物。这类材料最突出的特点是生物降解性和生物相容性。通过成分控制和结构设计，生物降解的速率可以控制，部分聚丙交脂、聚已交脂、聚己内脂、明胶及它们共聚物可降解成细胞正常代谢物质——水和二氧化碳。
1 G/ _, v, M7 t  G& z　　生物性高分子物质，如蛋白质、磷脂、糖蛋白、脂质体、胶原蛋白等，利用它们的亲和力与基因片段和药物结合形成生物性高分子纳米颗粒，再结合上含有 RGD定向识别器，靶向性与目标细胞表面的整合子（integrins）结合后将药物送进肿瘤细胞，达到杀死肿瘤细胞或使肿瘤细胞发生基因转染的目的。
　　药物纳米载体（纳米微粒药物输送）技术是纳米生物技术的重要发展方向之一，将给恶性肿瘤、糖尿病和老年性痴呆等疾病的治疗带来变革。
# ^% y, M& w# i+ X2 f( b9 w如何制备药物和基因纳米载体
　　将聚乙二醇多段共聚物作为抗癌药物阿霉素的载体，其中PEG嵌段接枝共聚物的分子量为2000，该共聚物由寡肽与氨基尾端链接而成，通过二氨和 PEG2（琥珀酰亚氨羧酸酯）界面凝聚制得。每个寡肽片段含有三个羧基基团，主要用于与抗癌药物阿霉素连接。至少含有一个分子量最低的烷基和一个 C2~20链烷醇基团环糊精衍生物，可用于药物的释放，具有低溶血活性。采用硅烷偶联剂处理，在紫外光照射下引发聚合，制备聚N－异丙基丙烯酰胺薄涂层，用于制备纳米载体微粒。

  t) m- X; n3 s* ~" h# @　　让药物瞄准病变部位的“纳米导弹”
　　从1994年开始，中南大学卫生部肝胆肠外科研究中心张阳德等（中国现代医学杂志2001；11（3）：1－14）开展了磁纳米粒治疗肝癌研究，我们的研究内容包括磁性阿霉素白蛋白纳米粒在正常肝的磁靶向性、在大鼠体内的分布及对大鼠移植性肝癌的治疗效果等。结果表明，磁性阿霉素白蛋白纳米粒具有高效磁靶向性，在大鼠移植肝肿瘤中的聚集明显增加，而且对移植性肿瘤有很好的疗效。
( G7 o* N( G, ^& @, a& {; N' l　　靶向技术的研究主要在物理化学导向和生物导向两个层次上进行。物理化学导向在实际应用中缺乏准确性，很难确保正常细胞不受到药物的攻击。生物导向可在更高层次上解决靶向给药的问题。
" P1 s  |7 ~  F- w8 s% K　　物理化学导向——利用药物载体的pH敏、热敏、磁性等特点在外部环境的作用下（如外加磁场）对肿瘤组织实行靶向给药。磁性纳米载体在生物体的靶向性是利用外加磁场，使磁性纳米粒在病变部位富集，减小正常组织的药物暴露，降低毒副作用，提高药物的疗效。磁性靶向纳米药物载体主要用于恶性肿瘤、心血管病、脑血栓、冠心病、肺气肿等疾病的治疗。
7 E0 X- g9 F8 P3 D/ m" J# f　　生物导向——利用抗体、细胞膜表面受体或特定基因片段的专一性作用，将配位子结合在载体上，与目标细胞表面的抗原性识别器发生特异性结合，使药物能够准确送到肿瘤细胞中。药物（特别是抗癌药物）的靶向释放面临网状内皮系统（RES）对其非选择性清除的问题。再者，多数药物为疏水性，它们与纳米颗粒载体偶联时，可能产生沉淀，利用高分子聚合物凝胶成为药物载体可望解决此类问题。因凝胶可高度水合，如合成时对其尺寸达到纳米级，可用于增强对癌细胞的通透和保留效应。目前，虽然许多蛋白质类、酶类抗体能够在实验室中合成，但是更好的、特异性更强的靶向物质还有待于研究与开发。而且药物载体与靶向物质的结合方式也有待于研究。
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0 Q9 h1 E$ z" [: E& I* A* [纳米生物器件研究
0 [8 c2 |0 R1 ?　　1.给肿瘤贴标签的纳米生物传感器
2 J, V" R0 r1 h7 k% I8 _1 N. z% r　　将荧光素（荧光蛋白）结合靶向因子，通过与肿瘤表面的靶标识别器结合后，在体外用测试仪器显影可确定肿瘤的大小尺寸和体位。另一个重要的方法是将纳米磁性颗粒与靶向性因子结合，与肿瘤表面的靶标识别器结合后，在体外用仪器测定磁性颗粒在体内的分布和位置，确定肿瘤的大小尺寸和体位。
6 ?8 H$ g! u, @9 ]5 N/ L1 V& l　　美国科学家研制出一种纳米探针，它是一支直径50纳米，外面包银的光纤，并可传导一束氦—镉激光。它的尖部贴有可识别和结合BPT的单克隆抗体。 325纳米波长的激光将激发抗体和BPT所形成的分子复合物产生荧光。此荧光进入探针光纤后，由光探测器接收。Tuan Vo－Dinh和他的同事认为，此高选择和高灵敏的纳米传感器能用于探测很多细胞化学物质，可以监控活细胞的蛋白质和其它所感兴趣的生物化学物质。
　　2.在细胞内发放药物的“分子马达”
; N+ n; l' M  A; c  n　　医学的发展，离不开医疗器械的现代化。建立在纳米尺度上的医疗器械，将会开创纳米医学的新世界。目前，研究较多的是分子马达（molecular motor）。所谓分子马达即分子机械，是指分子水平（纳米尺度）的一种复合体，能够作为机械部件的最小实体。它的驱动方式是通过外部刺激（如采用化学、电化学、光化学等方法改变环境）使分子结构、构型或构像发生较大变化，并且必须保证这种变化是可控和可调制的，而不是无规的，从而使体系在理论上具有对外机械做功的可能性。
' B' v+ k/ d: x" o　　美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备———“纳米直升机”。该设备包括两个金属推进器和一个金属杆，由生物分子组件将人体的生物“燃料”ATP转化为机械能量，使得金属推进器运转。这种技术仍处于研制初期，但将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。

纳米生物技术离临床诊疗有多远
% ~; Q- Y$ R) t0 |+ c5 D　　纳米生物技术在医学临床的应用在可预见的将来会非常广泛。过去10年中，利用纳米技术进行恶性肿瘤早期诊断与治疗的探索研究在西方发达国家全面展开，美、日、德等发达国家斥巨资投入该项研究，旨在于15年内征服一部分恶性肿瘤。
" d3 p: z3 e- U% D4 `/ O　　美国Alfret A、Douglas C等利用纳米颗粒与病毒基因片段及其它药物结合，构成纳米微球，在动物实验中靶向治疗乳腺肿瘤获得成功。近年来纳米技术在恶性肿瘤早期诊断与治疗应用方面最成功的是铁氧体纳米材料及相关技术。武汉理工大学李世普在体外实验中发现粒子尺度在20—80纳米的羟基磷灰石纳米材料具有杀死癌细胞的功能。然而，在充分安全、有效进入临床应用前仍有诸如更可靠的纳米载体、更准确的靶向物质、更有效的治疗药物、更灵敏，操作性更方便的传感器、以及体内载体作用机制的动态测试与分析方法等重大问题尚待研究解决。
　　总的来说，国际上纳米生物技术的研究范围涉及纳米生物材料、药物和转基因纳米载体、纳米生物相容性人工器官、纳米生物传感器和成像技术、利用扫描探针显微镜分析蛋白质和DNA的结构与功能等重要领域，以疾病的早期诊断和提高疗效为目标。在纳米生物材料，尤其是在药物纳米载体方面的研究已取得一些积极的进展，在恶性肿瘤诊疗纳米生物技术方面也取得了实验阶段的进展，其它方面的研究尚处于探索阶段。

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