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跨学科前沿系列(三)

纳米技术,在微小世界开天辟地

2018-04-30 02:42:59 来源:健康报

  □记者 王潇雨


  20世纪80年代,纳米技术问世。这是一种在纳米尺度(从原子、分子到亚微米尺度之间)上研究物质的相互作用、组成、特性与制造方法的科学。纳米尺度覆盖了从蛋白质、DNA到细胞器的范围,为生命科学家提供了源源不断的灵感和广阔的创造空间。纳米技术对医疗和健康产业的影响日趋显著,在药物输送、生物材料、造影、活性植入等医疗应用中大显身手。

 定点封堵肿瘤血管

  能游走在血管里自动寻靶的纳米机器人,凭借精准运输和定点栓塞的优势,对乳腺原位肿瘤、黑色素瘤、卵巢皮下移植瘤和原发肺部肿瘤在内的多种肿瘤都有良好的治疗效果。最近,国家纳米科学中心团队研发出一款超分子自组装的DNA纳米机器人,该成果登上《自然·生物技术》杂志并获如下评述:“中国科学家尝试利用医学纳米机器人治疗肿瘤等恶性疾病,这种新颖的纳米机器人将改变人们对药物输运的传统观念,为更有效的肿瘤治疗提供全新策略。”

  “血液中的凝血酶是机体凝血系统的一种关键酶,能快速高效地诱导血栓形成。如果将凝血酶作为特定的‘货物’装载在纳米机器内部,靶向运输并精确释放至肿瘤血管,诱导凝血产生血栓,就可以通过栓塞肿瘤血管达到高效抑制肿瘤生长和转移的目的。”该机器人主要研发者、国家纳米科学中心聂广军研究员介绍,该团队利用DNA折纸术构建智能化的分子机器,通过自组装将“货物”凝血酶包裹在分子机器的内部空腔,分子机器两端装载有“雷达”核酸适配体。当DNA纳米机器人到达肿瘤血管时,纳米机器上的“锁”识别特异标志物而发生结构变化,使得“锁”从闭合状态变为开启状态,整个纳米机器由管状结构打开变为平面结构,把“货物”投放在定点位置。

  “由于纳米机器人具有极好的识别响应功能,仅在肿瘤血管标志物存在时才启动活化凝血酶,因此在疗效和安全性方面大大优于物理介入治疗。”聂广军表示,这款DNA纳米机器人作为智能化的给药平台,进行多种药物的联合高效递送,有望对传统难以成药的物质,比如毒素、蛇毒蛋白等实现有效包载和智能递送,进而推动全新抗肿瘤药物的研发。纳米技术能让药物突破化学、解剖和生理学阻碍,抵达病变组织,提高药物在病灶位置的聚集量,减小对健康组织的损害,较之传统药物具有显著优势。

  纳米技术在医疗器械和医学成像上的应用也被寄予厚望。在医学造影方面,相较于传统的荧光染色剂,纳米材料寿命更长,光学性能适应广泛的工作波长,且设计更加方便。在生物医学方面,纳米孔基因测序技术有望大幅降低基因测序成本并提高测序速度。

 纳米领域重要贡献者

  2000年,中国成立了国家纳米科技指导协调委员会,2003年成立了国家纳米科学中心,在国家中长期发展规划中部署了纳米科技研究计划。2017年8月,纳米科学中心、中国科学院文献情报中心和施普林格·自然集团联合发布报告指出,中国在纳米科学领域已成为当今世界纳米科学与技术进步重要的贡献者,部分基础研究跃居国际领先水平。在专利申请量方面,中国位于世界前列。

  在医疗领域,国家层面布局正不断取得突破。“十二五”期间,“863”计划支持的面向重大疾病治疗的纳米载体材料及诊断技术主题项目今年2月已通过验收。今年2月,国家重点研发计划纳米科技重点专项胃癌早期筛查与全病程监测的纳米技术及转化研究项目启动,将致力于研发超敏感、特异的胃癌标志物纳米检测新技术方法。

  “缺乏生物学和医学背景,是面临的最大挑战。”有专家指出,目前中国从事纳米医药研究的科学家大多拥有化学或材料科学背景,但动物模型和临床研究的经验相对有限,这样的短板应当引起重视。

 纳米医学和毒理学应并重

  “正如硬币的正反面,纳米颗粒容易穿越生物屏障、吸附血液蛋白、进入细胞,也容易诱发细胞内慢性炎症。因此,纳米医学和纳米毒理学是两个重要的研究方向。”中国科学院院士、国家纳米科学中心研究员赵宇亮指出,对这两个领域的研究要并驾齐驱。

  专家指出,需要在伦理框架下进行谨慎判断,因为纳米颗粒很容易经肺或皮肤进入人体系统,特别是空气中排放的纳米颗粒对健康的威胁是当前最大担忧。有资料显示,人们已发现碳纳米管内的金属污染物和柴油的纳米颗粒对健康有不良影响。生产作业中暴露于纳米污染物的工人有较高的健康风险。此外,纳米颗粒活性高、尺寸微小,纳米材料制造过程中所产生的工业排放及纳米产品用后的回收,可能会带来环境风险。

  为应对伦理、法律和社会问题,美国出台了国家纳米技术计划,组织了若干工作组。欧盟也与美国合作,建立了一个政策制定平台。中国自2001年就已投入资金研究纳米安全问题,约有7%的研究预算用于环境、健康及安全研究。

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