纳米技术在医学领域的研究及应用现状
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    纳米技术在医学领域的研究及应用现状

    发布日期:2022-08-14 01:55    点击次数:95

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     纳米技术和材料的发展给医学领域带来了一场深刻的革命,催生了纳米医学(nanomedicine)这一全新的学科。纳米医学是运用纳米技术的理论与方法,开展医学研究与临床治疗的新兴边缘交叉学科。它是基于纳米结构的材料和器件、分子医学及分子机器系统3个不断发展、相互重叠的更强大的分子技术。因此,科学家、临床医学家,制药、仪器设备制造企业等以及投资家和国家政府部门都认识到了纳米科技在医学领域的巨大潜力和可能带来的突破性发展。了解纳米技术在医学领域的研究及应用现状,对于更好地了解纳米医学发展现状有着非常重要的意义。

      纳米技术与纳米医学之间建立密不可分关系,在这些多元交叉的关系中衍生出一系列的技术和手段,用于医疗保健领域,包括纳米诊断技术、纳米药物、纳米机器人及纳米安全性评价等。

    一、纳米诊断

      纳米诊断是指利用纳米材料(如荧光纳米粒子、磁性纳米粒子等)功能特殊性及生物相容性好的特点,通过其在生物体内进行标记、示踪、探测、信号增强或转化,以及对生物活性分子进行检测等,实现对极早期病变进行检测、诊断、预警。纳米诊断技术将会使医学诊断学发生重大变革,对医学领域乃至整个生命科学领域产生重大影响。其内容包括纳米流-纳米阵列、分子诊断纳米颗粒、分子诊断量子点、磁性纳米颗粒、纳米生物传感器等,分别应用在分子生物标记物检测、体内示踪治疗细胞、单分子检测、及时诊断、诊疗一体化等方面。例如,得克萨斯大学西南医学中心(UT Southwestern)的研究人员发现一类新型荧光纳米粒子,该种粒子具有pH超灵敏性,却在血液中循环不可见,只有当其接触到肿瘤的微环境或新生血管时才会发光。针对不同的类型的肿瘤,采用不同颜色的染料混合后来同时监测。相关研究论文刊登在了2014年出版的《自然-材料学》(Nature Materials)杂志上。

      我国科学家已经将功能化超顺磁性颗粒应用于化学发光免疫分析,对于提高其检测灵敏度和特异性,以及实现全自动化操作具有重要作用。

    二、纳米药物

      纳米药物是以纳米粒、纳米球、纳米囊等纳米微粒作为载体系统,与药效分子以一定方式结合在一起制成的药物,或者直接以纳米粒化的药物或载体(不载带传统药物分子)制成的药物。区别于传统药物的纳米药物技术具有其他无可比拟的独特性质和优势:①提高候选药物的成药性;②提高药物的稳定性;③增加对生物膜的黏附性;④提高药物输送的靶向性;⑤控制药物释放;⑥改变药物给途;⑦纳米载体携带蛋白或多肽抗原。由于纳米材料具有与一般材料所不同的物理化学性能,基于纳米材料设计的新型药物载体能够实现不同于传统的给药途径和给药方式,还能够在给药的同时达到诊断的目的,随时监测疾病的发展,实现诊疗一体化。

      纳米载体的开发直接关系药物能否实现临床应用。目前药物载体主要以高分子材料、无机材料为基础,通过材料改性赋予其靶向性、刺激响应性、生物相容性、可降解性等药物载体的性能,在基础研究领域, 信任的近义词最新的发展方向主要集中在微、纳米药物载体的开发,开发高效的、靶向性的、可降解的载药系统引起越来越多的材料和生化领域研究人员的兴趣。

      目前,纳米药物治疗肿瘤的原理基本相同,均是利用增强渗透滞留效应(EPR)效应而使纳米药物富集于病变组织,该方法与传统药物富集量相比提高5~10倍,具有代表性的部分产品已经进入临床研究阶段(见表1)。鉴于纳米药物高效的富集性和优越的治疗效果,引起了各国政府和知名制药公司的大规模投入,如美国在2004年就启动了“肿瘤纳米技术”计划,同时NIH出资在美国建立了8个专门从事纳米医学研究的中心;德国将纳米生物技术的主攻方向集中于研制能够摧毁肿瘤细胞“导弹”;日本投入巨额经费用于靶向性纳米载药技术治疗肿瘤的研究。经过十余年努力,发达国家政府和制药公司的巨大投入取得了丰硕成果,紫杉醇白蛋纳米粒等一系列有影响的纳米新药相继上市,产生了巨大经济效益和社会效益。我国也在纳米技术改善药物功效方面投入了大量经费,并且取得了初步成效。纳米技术进一步改善药物功效的研究有望全面推动整个医药工业的腾飞,对于提高我国人民的健康水平和促进国民经济发展均具有重大的战略意义。

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    三、纳米机器人

      纳米机器人通常是指按照分子水平的生物学原理设计制造的可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”,也称分子机器人,关于品牌属于分子仿生学的范畴,某些情况下,能进行纳米尺度微加工或操作的自动化装置也称之为纳米机器人。日前,韩国国立全南大学的一个科研小组研发出了世界上首个可以抗癌的纳米机器人,它可对乳腺癌、结肠和直肠癌等高发性癌症进行诊断和治疗,并已经在动物实验中取得成功。这是一种新式的具有强大灭杀能力的纳米医学机器人,这种机器人可以“嗅探”出并杀死癌细胞,同时还不会损害正常细胞。科学家称,这款纳米机器人直径为3μm,由生物体细菌和药物推进器2部分构成。据了解,机器人能准确找到引发癌症的病源,而在找到癌症发病处后,药物推进器会释放经过基因修改的无害细菌和抗癌药物来攻击癌细胞。

      中国科学院、清华大学等单位的多个团队也开展了生物纳米机器人方面的研究,对分子马达进行了大量的理论探索,并开展了马达蛋白方面的研究工作。具有代表性团队如清华大学刘冬生教授课题组,通过采用不同无机发电方式驱动的核酸分子马达,并利用核酸分子马达构建出一系列具有新型功能纳米系统。目前正准备与相关医院合作将具有输运和定位功能的核酸纳米机器应用于脑肿瘤治疗中。

    四、纳米材料的安全性

      纳米安全性主要包括纳米药物、纳米材料的安全性研究。英国从事纳米毒理学研究的知名学者Viki Stone说过,在医学领域中,所用到的纳米材料要经过严格的从体外到体内、从药理到毒理的精细试验。同样,纳米医药和传统医药一样,均存在收益风险比的问题,然而如果一种药物能够挽救人的性命,即使存在轻微的毒性,和没有毒性但也不能救人的“药物”相比,还是具有优越性的。随着纳米材料和纳米技术产品的应用日益广泛,其成分标注和安全性管理问题成为公众所关切的问题。欧盟、美国和日本等已提出了“负责任地发展纳米技术”,这一观点得到各国政府和学术界的广泛认同,充分合理和科学地去预见和减轻纳米科技可能带来的负面影响,预防潜在的负面后果。欧盟第七框架计划资助了一系列“纳米技术健康与环境评价”研究项目,旨在理解纳米材料与相关产品的健康效应的基本规律,同时建立关于纳米颗粒对健康、安全和环境的影响的科学评价方法和技术。2012年底美国分别颁布《纳米技术环境、健康、安全研究》白皮书和《纳米材料的环境、健康、安全研究战略》重复强调纳米安全性。各国政府对纳米材料,特别是直接应用于人体和消费产品的纳米生物材料进入市场,均持“先评估再使用”的态度,迫切需要建立纳米材料安全性评估技术和方法。为此,毒理学研究与纳米科学等领域交叉,产生的一个新的分支学科—纳米毒理学,最近10年的发展非常迅速。

      近年来,国家纳米科学中心、中国科学院高能物理研究所、北京大学等单位,在重要纳米材料的生物效应与机理的研究取得了一批重要的成果,在国内外产生了较大的学术影响。我国从事纳米材料毒理学效应分析与纳米安全性研究的赵宇亮研究员、柴之芳院士、陈春英研究员作为全球药理学和毒理学2大领域入选的中国科学家,标志着我国学者在纳米毒理学研究领域取得了引领性的研究成就。我国(尤其是北京地区)在纳米科技研究领域取得了令人瞩目的成就和突破性进展,同时也是纳米材料与产品的生产大国,但是在纳米产品的生产与监管、消费产品(特别是医药卫生和食品)的安全性评价还需要深入的研究,为国家政策法规的建立提供科学依据。

    文/李军男  

    北京新材料发展中心科技项目部



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