納米生物技術及其應用

關于納米生物技術及其應用2

從分子的微觀角度來看，目前的醫(yī)療技術尚無法達到分子修復的水平。納米醫(yī)學是在分子水平上，利用分子工具和人體的分子知識，創(chuàng)造并利用納米裝置和納米結構來防病治病，改善人類的整個生命系統(tǒng)。例如：修復畸變的基因、扼殺剛剛萌芽的癌細胞、捕捉侵入人體的細菌和病毒，并在它們致病前就消滅它們；探測機體內化學或生物化學成分的變化，適時地釋放藥物和人體所需的微量物質，及時改善人的健康狀況。最終實現(xiàn)納米醫(yī)學，使人類擁有持續(xù)的健康。第2頁,共31頁，2024年2月25日，星期天3一、在診斷方面的應用

1、遺傳病診斷納米技術有助診斷胎兒是否有遺傳缺陷。婦女懷孕8個星期時，血液中開始出現(xiàn)少量胎兒細胞。利用具有納米級大小孔洞的半透膜或特殊的合成納米管等，可把胎兒細胞分離出來進行診斷。不需要進行羊水穿刺。目前美國已將此項技術應用于臨床診斷中。2、病理學診斷腫瘤診斷最可靠的手段是建立在組織細胞水平上的病理學方法，但存在著良惡性及細胞來源判斷不準確的問題。利用原子力顯微鏡(atomicforcemicroscope，AFM)可以在納米水平上揭示腫瘤細胞的形態(tài)特點。通過尋找特異性的異常納米級結構改變，以解決腫瘤診斷的難題。第3頁,共31頁，2024年2月25日，星期天4二、在治療方面的應用1、納米化增加藥物吸收度

增大藥物的表面積促進溶解。藥物大分子就能穿透組織間隙，也可以通過人體最小的毛細血管。而且分布面極廣。應用于中藥制劑。藥物的物理活性、靶向性比普通中藥大大提高。2、納米醫(yī)用材料目前廣泛使用的人工心臟瓣膜，是由鈦金屬與不銹鋼合金所構成，但在移植入人體后仍有損壞的可能性。結晶納米氧化鋯是一種具有高度抗生物損耗的替代材料。銀在納米狀態(tài)下的殺菌能力產(chǎn)生了質的飛躍。只需用極少量的納米銀即可產(chǎn)生強力的殺菌作用。第4頁,共31頁，2024年2月25日，星期天5納米骨材料：把它植入體內填充各類型的骨缺損，其網(wǎng)狀結構可生長出很多新生的骨細胞，所有填的納米骨材料，最后會降解消失，骨缺損部能完全被新生骨取代。具有納米級別的天然骨分級結構和天然骨的多孔結構第5頁,共31頁，2024年2月25日，星期天6智能藥物

這是納米醫(yī)學中的一個非?；钴S的領域，適時準確地釋放藥物是它的基本功能之一。863計劃項目“心血管病與糖尿病多指標微流控芯片檢測系統(tǒng)的研制”，為糖尿病人研制超小型的、模仿健康人體內的葡萄糖檢測系統(tǒng)，它能夠被植入皮下，監(jiān)測血糖水平，在必要的時候釋放出胰島素，使病人體內的血糖和胰島素含量總是處于正常狀態(tài)。研究控制這個芯片的尺寸，可以把它做得更小，并計劃裝上一個“智能化”的傳感器，使它可以適時和適量地釋放藥物。美國正在設計一種納米"智能炸彈"，它可以識別出癌細胞的化學特征。這種"智能炸彈"很小，僅有20納米左右，能夠進入并摧毀單個的癌細胞。第6頁,共31頁，2024年2月25日，星期天7人工紅血球

納米醫(yī)學不僅具有消除體內壞因素的功能，而且還有增強人體功能的能力。我們知道，腦細胞缺氧6至10分鐘即出現(xiàn)壞死，內臟器官缺氧后也會呈現(xiàn)衰竭。設想一種裝備超小型納米泵的人造紅血球，攜氧量是天然紅血球的200倍以上。當人的心臟因意外，突然停止跳動的時候，醫(yī)生可以馬上將大量的人造紅血球注入人體，隨即提供生命賴以生存的氧，以維持整個機體的正常生理活動。它可以應用于貧血癥的局部治療、人工呼吸、肺功能喪失和體育運動需要的額外耗氧等。隨著轉子的轉動，氣體分子與轉子上的結合位點結合再釋放到血漿中。第7頁,共31頁，2024年2月25日，星期天8納米藥物輸運

納米微粒藥物輸送技術也是重要發(fā)展方向之一。目前，有半數(shù)以上的新藥存在溶解和吸收的問題。863計劃項目“納米藥物制劑的生物效應研究”，當藥物顆粒縮小時，藥物與胃腸道液體的有效接觸面積將增加，藥物的溶解速率隨藥物顆粒尺度的縮小而提高。利用納米晶體技術將藥物顆粒轉變成穩(wěn)定的納米粒子，提高溶解性和難溶性藥物的藥效率。同時，納米藥物制劑的賦形劑在胃腸道中起表面活性劑的作用，也提高了納米藥物顆粒的溶解率。一旦，不溶性藥物轉變成穩(wěn)定的納米顆粒，就適合于口服或者注射了。第8頁,共31頁，2024年2月25日，星期天9捕獲病毒的納米陷阱

密西根大學的DonaldTomalia等已經(jīng)用樹形聚合物發(fā)展了能夠捕獲病毒的納米陷阱。體外實驗表明納米陷阱能夠在流感病毒感染細胞之前就捕獲它們，同樣的方法期望用于捕獲類似愛滋病病毒等更復雜的病毒。此納米陷阱使用的是超小分子，此分子能夠在病毒進入細胞致病前即與病毒結合，使病毒喪失致病的能力。通俗地講，人體細胞表面裝備著含硅鋁酸成分的"鎖"，只準許持"鑰匙"者進入。不幸的是，病毒竟然有硅鋁酸受體"鑰匙"。Tomalia的方法是把能夠與病毒結合的硅鋁酸位點覆蓋在陷阱細胞表面。當病毒結合到陷阱細胞表面，就無法再感染人體細胞了。陷阱細胞由外殼、內腔和核三部分組成。內腔可充填藥物分子；將來有可能裝上化療藥物，直接送到腫瘤上。研究者希望發(fā)展針對各種致病病毒的特殊陷阱細胞和用于醫(yī)療的陷阱細胞庫。

第9頁,共31頁，2024年2月25日，星期天10識別血液異常的生物芯片

美國圣地亞國家實驗室發(fā)現(xiàn)納米技術可以在血流中進行巡航探測，即時地發(fā)現(xiàn)諸如病毒和細菌類型的外來入侵者，并予以殲滅，從而消除傳染性疾病。MichealWisz做了一個雛形裝置，發(fā)揮芯片實驗室的功能，它可以沿血流流動并跟蹤像鐮狀細胞血癥和感染了愛滋病的細胞。血液細胞被導入一個發(fā)射激光的腔體表面，從而改變激光的形成。癌細胞會產(chǎn)生一種明亮的閃光；而健康細胞只發(fā)射一種標準波長的光，以此鑒別癌變。識別血液異常第10頁,共31頁，2024年2月25日，星期天112.DNA合成過程、基因調控過程的STM研究3.質粒DNA及其與限制性內切酶相互作用的研究4.對染色體的AFM研究5.對生物分子之間及分子內部的力的測量6.生物大分子動態(tài)過程的研究

第11頁,共31頁，2024年2月25日，星期天127.生物大分子的直接操縱和改性DNA分子是全部遺傳信息的攜帶者，因而DNA分子操縱成為生命科學、物理學等多學科的共同熱點。DNA操縱包括：（1）DNA鏈的原子力切割。利用原子力顯微鏡AFM在幾年前已經(jīng)實現(xiàn)了DNA分子鏈的原子力切割，可不受DNA序列的限制，在任何部位進行納米級的精確切割。（2）DNA分子鏈的拉直操縱。其實現(xiàn)方法很多，主要有以下三種：①靜電場法。在一定強度的電場下，可拉直小片段的DNA。②激光鑷子法。在DNA的兩端點粘上微小的顆粒，可通過激光鑷子將其展開。③分子梳法。通過受壓的液體流動產(chǎn)生的流體力可將DNA鏈進行拉直操縱，與雙色熒光標記法結合成為基因研究中的有力工具。第12頁,共31頁，2024年2月25日，星期天133.納米機器人納米技術與分子生物學的結合將開創(chuàng)分子仿生學新領域?！凹{米機器人”是根據(jù)分子水平的生物學原理為設計原型，設計制造可對納米空間進行操作的“功能分子器件”。第一代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結合體，如酶和納米齒輪的結合體。這種納米機器人可注入人體血管內，進行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，吞噬病毒，殺死癌細胞；還可進行人體器官的修復工作、作整容手術、從基因中除去有害的ＤＮＡ，把正常的ＤＮＡ安裝在基因中，使機體正常運行。第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置。第三代納米機器人是包含納米計算機，可以進行人機對話的裝置。一旦問世將徹底改變人類的勞動和生活方式。第13頁,共31頁，2024年2月25日，星期天14Molecular-scalemachinescouldonedayhavemedicalapplicationssuchasremovingcancerouscells.Nature

451,770-771(14February2008)|

利用氨基酸為原料，按照分子設計組成線狀肽鏈，合成所需的蛋白質“零件”。由于線狀肽鏈能在一定的條件下自動轉變成特定的三維結構，所以便于制備成具有特定功能的生物零件。進一步利用肌細胞的纖維結構骨架和纖毛結構（運動部件），還可以制備有支撐、牽引和杠桿功能的零件并以酶為核心統(tǒng)一成具有特定功能的結構，即形成生物機器。這些納米機器人以光感應器作為開關，從溶解在血液中的葡萄糖和氧氣獲得能量。第14頁,共31頁，2024年2月25日，星期天15模擬酶機器人：酶是生物催化劑，生命過程的每一個化學反應都有一個相應的酶進行催化，所以生命現(xiàn)象就是成千上萬個在功能上有相互協(xié)調關系的酶分子井然有序地表現(xiàn)催化功能的結果。生物體內的酶所催化的反應幾乎涵蓋了自然界所有的化學反應類型。因此，模擬酶分子制造納米機器人用于凈化環(huán)境和對工業(yè)化學反應進行催化是一個巨大的潛在生長力?！吧飳棥睓C器人：生物導彈模仿膜囊泡轉運蛋白質的功能，它把不能分辨好壞細胞的抗癌藥物包裹在脂微囊中，并在微囊表面植入一種專門與癌細胞結合的標記分子。如此設計的生物導彈，就是在血液中或細胞間隙游走的納米機器人，以便專門清除血管壁上沉積物，減少心血管疾病的發(fā)病率；它一旦遇到癌細胞就會抓住不放并鉆入細胞中釋放抗癌藥物殺死癌細胞。第15頁,共31頁，2024年2月25日，星期天16在血管中運動的納米機器人，正在使用納米切割機和真空吸塵器來清除血管中的沉積物。納米機器人消滅癌細胞虛擬圖第16頁,共31頁，2024年2月25日，星期天17模仿線粒體機器人：模仿線粒體制造的納米機器人將可能為醫(yī)學的發(fā)展作出重要貢獻，因為人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)線粒體與衰老、運動疲勞以及很多與衰老相伴而生的疾病如糖尿病、帕金森氏并等有很重要的關系?；蛐迯蜋C器人：分子病理學的研究將揭示疑難病的分子基礎，很多疑難病都是和某種酶分子的缺陷或酶分子的活性不能順利表現(xiàn)有關。應用納米技術可以在微小空間重新排列基因遺傳密碼，利用基因芯片迅速查出人的基因密碼中的錯誤，并迅速利用納米技術將錯誤基因進行修正，治療遺傳缺陷疾病。另外，納米技術還可以通過觀測直接發(fā)現(xiàn)遺傳缺陷或病毒中原子或分子結構的缺陷，并通過分子手術將有缺陷的部分切割去除，然后再將好的原子和分子結構移植上去，這樣可以從根本上治愈遺傳缺陷或病毒。第17頁,共31頁，2024年2月25日，星期天18納米機器人應用前景動脈粥樣硬化的治療機器人能夠從動脈壁上清除粥樣沉積物。這不僅會提高動脈壁的彈性,還會使通過動脈的血液流動狀況得到改善。腎結石、膽結石的治療

將納米機器人以插入導管的方式引入到尿道或膽道里內,直接到達結石所在的部位,并且直接把結石擊碎。檢查體內疾病

像一顆膠囊，把它吞進肚里，消化道內的情景就可以像放電影一樣在電腦屏幕上一目了然。納米機器人在清理血管中的有害堆積物第18頁,共31頁，2024年2月25日，星期天19納米機器人進入人體消化系統(tǒng)工作示意圖目前還只能鉆進人的肚子里通過傳輸圖像“瞧病”，還不能治病。機器人醫(yī)生在未來三年內：當機器人醫(yī)生發(fā)現(xiàn)可疑病變組織后，立即能伸出“手”來取樣進行活檢

第19頁,共31頁，2024年2月25日，星期天20納米技術在基因轉運與基因工程中的應用

1.納米技術在基因導入治療中的應用基因治療是生物治療的重要組成部分,是當前生物醫(yī)學的研究熱點。但其面臨的嚴峻挑戰(zhàn)之一是基因治療的載體系統(tǒng)。目前,用于基因治療的基因轉移載體有:反義核酸、質粒DNA、重組病毒載體等,但各有載體互有利弊。反義核酸、質粒DNA轉移效率低,易被核酸酶降解,而病毒載體則有安全性和免疫原性等方面的劣勢。因此,發(fā)展新型的安全、高效的基因治療載體系統(tǒng)顯得非常關鍵。納米基因載體一般由具生物兼容性、可生物降解的納米生物材料制備,基本無毒性,無免疫原性,體內可以代謝降解,生物安全性好。第20頁,共31頁，2024年2月25日，星期天21DNA納米技術是指以DNA的理化特性為原理設計的納米技術，主要應用于分子的組裝。利用DNA雙鏈的互補特性，可以實現(xiàn)納米顆粒的自組裝，并提供高度特異性結合。利用納米技術，可使DNA通過主動靶向作用定位于細胞；將質粒DNA濃縮至50～200nm大小且?guī)县撾姾桑兄谄鋵毎说挠行肭?；質粒DNA插入目的細胞后，可修復遺傳錯誤或可產(chǎn)生治療因子(如多肽、蛋白質、抗原等)；而質粒DNA插入細胞核DNA的準確位點則取決于納米粒子的大小和結構。3.DNA納米技術和基因治療

第21頁,共31頁，2024年2月25日，星期天22納米技術在其他方面的應用

1.細胞分離20世紀80年代初，人們建立了用納米SiO2微粒實現(xiàn)細胞分離的新技術。優(yōu)點是：①易形成密度梯度；②易實現(xiàn)納米SiO2粒子與細胞的分離。這是因為納米SiO2微粒是屬于無機玻璃的范疇，性能穩(wěn)定，一般不與膠體溶液和生物溶液反應，既不會沾污生物細胞，也容易把它們分開。采用納米微粒很容易將血液樣品中的極少量的胎兒細胞分離出來，并能準確地判斷出胎兒細胞是否有遺傳缺陷。利用納米微粒（如50nm的Fe3O4微粒）進行細胞分離技術很可能在腫瘤患者早期的血液中檢查出癌細胞，從而實現(xiàn)癌癥的早期診斷和治療。利用納米微粒檢查血液中的心肌蛋白，以幫助治療心臟病。/player.php/sid/5487847/v.swf第22頁,共31頁，2024年2月25日，星期天232.細胞內部染色細胞內部染色對用光學顯微鏡和電子顯微鏡研究細胞內各種組織是十分重要的一項技術。未加染色體的細胞襯度很底，目前有幾種染色技術，如熒光抗體法、鐵蛋白抗體法和過氧化物酶染色法等，目的是提高用光學顯微鏡和電子顯微鏡觀察細胞組織的襯度。隨著細胞學研究的發(fā)展，要求進一步提高觀察細胞內組織的分辨率，這就需要尋找新的染色方法。納米微粒的出現(xiàn)，為建立新的染色技術提供了新的途徑。第23頁,共31頁，2024年2月25日，星期天24QuantumDots(QDs)量子點（半導體納米晶體）量子點是以CdSe為核、CdS或ZnS為殼的核-殼型納米體。應用范圍廣多種顏色抗光致漂白性安全熒光時間長用于追蹤神經(jīng)細胞膜中的氨基乙酸受體的活動性及擴散性NATURE，VOL432，2004第24頁,共31頁，2024年2月25日，星期天25可用于非同位素標記的生物分子的超靈敏檢測，如在QD表面連接上巰基乙酸（HS-CH2COOH)，從而使量子點既具有水溶性，還能與生物分子（如蛋白質、多肽、核酸等）結合，通過光致發(fā)光檢測出QD，從而使生物分子識別一些特定的物質。與蛋白質偶聯(lián)，形成生物傳感器，測定生物體內物質的特性。第25頁,共31頁，2024年2月25日，星期天26用疏水的改良聚丙烯酸包被量子點,使之與免疫球蛋白G和鏈霉親和素相結合,使其能準確的結合并標記在細胞表面蛋白、細胞支架蛋白和細胞核內的蛋白質上，利用其抗漂白的性能，通常對于定量檢測熒光分子及生物活細胞的模擬具有很大的價值。第26頁,共31頁，2024年2月25日，星期天27生物芯片技術：量子點色彩的多樣性滿足了對生物高分子（蛋白質、DNA）所蘊含海量信息進行分析的要求。將聚合物和量子點結合形成聚合物微珠，微珠可以攜帶不同尺寸（顏色）的量子點，被照射后開始發(fā)光，經(jīng)棱鏡折射后傳出，形成幾種指定密度譜線（條形碼），這種條形碼在基因芯片和蛋白質芯片技術中有光明的應用前景。第27頁,共31頁，2024年2月25日，星期天28Quantumdotsmodifiedwithantibodiestohuman