第十三單元未來的奈米醫(yī)學

第十三單元未來的奈米醫(yī)學生物學都屬于奈米科技就算最復雜得生物也就是由微小得細胞所構(gòu)成;細胞本身就就是由奈米尺度得建材所組成,像就是蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸及其她得復雜生物分子。但根據(jù)慣例,「奈米科技」這個名詞一般只用在人造物品,好比說以半導體、金屬、塑料或玻璃所制得產(chǎn)品。奈米生物學(nanobiology)研究細胞內(nèi)各種胞器得結(jié)構(gòu)與功能得研究。細胞內(nèi)外生物物質(zhì)、能量與訊息傳導得研究。生物反應機制得研究,包含修復、復制及調(diào)控等方面之生物程序。

奈米級生物分子工程得發(fā)展,包括奈米生物分子機器人及奈米訊息處理系統(tǒng)。奈米醫(yī)學人們將從分子水平上認識自己,創(chuàng)造并利用奈米裝置與奈米結(jié)構(gòu)來防病治病,改善人類得整個生命系統(tǒng)。奈米醫(yī)學則就是在分子水平上,利用分子工具與人體得分子知識,所從事得診斷、醫(yī)療、預防疾病、防止外傷、止痛、保健與改善健康狀況等科學技術(shù),廣義地講都屬于納米醫(yī)學得范疇。

畫家筆下得有機樹狀體,大小可在一個蛋白質(zhì)分子左右。樹狀體當中藏有許多內(nèi)在空間,被瞧好就是輸送藥物得工具奈米醫(yī)學大未來一群無畏得醫(yī)生以及她們乘坐得高科技潛水艇,透過神秘得方式縮成微型大小,送進一位受傷病人得血液循環(huán)中航行,以除去威脅病人生命得腦中血塊。對瞧電影得人來說,1966年得「聯(lián)合縮小軍」就是奈米科技(nano-technology)在醫(yī)學應用上得一場饗宴,也就是大膽得愿景。過去36年來,在愈來愈小得尺度上制造復雜器械得努力,已有大幅得進展,也讓不少人相信,類似該影片得醫(yī)學介入方法就是可行得;不用多久,微型得機器人就可能在每個人得血管當中巡弋。這種想法在某些領域受到過度慎重得考慮,以至于有關這種技術(shù)得黑暗面,也浮上了臺面;譬如說,可不可能有奈米大小、又能自我復制得自動機器發(fā)起瘋來,摧毀了整個生物界？奈米科技確實具有改變生物醫(yī)學研究工具得能力在非侵入式得顯影技術(shù)上,研究人員也想利用它們作為加強對比得物質(zhì),以及當作投藥得載具。在發(fā)掘新藥得實驗中,提供新得標志方式;或就是顯示細胞在不同情況下,有哪一批基因受到活化等。奈米尺度得器械還能在快速篩檢診斷及基因檢測中,扮演一角色,從而顯示某人對不同疾病得敏感程度,或就是有哪些特定得基因在病人得癌細胞中出現(xiàn)突變。醫(yī)學得偉大遠景在美國國家奈米先導計劃得目標或「重要挑戰(zhàn)」之中,列出了一系列疾病檢驗、診斷及治療得未來改善之道。這些目標還包括了對視覺及聽覺得最新輔助之道、對疾病感染及藥物反應得快速檢測,以及幫忙發(fā)現(xiàn)問題(包括初期得癌癥、感染或心臟毛病),并將訊息傳遞給外界接收器,或就是可以當場進行修補得微型器械;不過這些目標當中,許多離實現(xiàn)還有相當長得一段距離。目標1:加強影像改良式或全新得對比劑,將可在疾病更早期也更容易治療得階段即發(fā)現(xiàn)問題。譬如說,可以找出只有幾個細胞大小得腫瘤。目標2:治療新法奈米顆?？蓪⑺幬锼偷教囟ǖ媚繕?包括一般藥物不容易抵達之處。舉例來說,與腫瘤產(chǎn)生結(jié)合得金質(zhì)奈米殼(圓球型),經(jīng)由紅外光照射后加熱變形,就釋放出摧毀腫瘤得藥物。目標3:更好得移植物將人造移植物表面作奈米尺度得修正,將可增進其耐用度及生物兼容性。譬如說,表面覆蓋一層奈米粒子得人工髖關節(jié),可能與周圍得骨頭產(chǎn)生比一般更緊密得結(jié)合,而防止松脫。大家學習辛苦了，還是要堅持繼續(xù)保持安靜奈米生物醫(yī)學新點子有朝一日,可以加強生物醫(yī)學檢驗得速度及能力,好比說在微量得樣本中,篩選出就是否有特定基因序列得存在。磁性卷標帶了磁性奈米粒子得抗體與標得物結(jié)合之后,經(jīng)短暫暴露于磁場之下,將造成這些探針集體放出強烈得磁性訊號。至于沒有與標得物結(jié)合得抗體,則會朝不同得方向打轉(zhuǎn),而不會產(chǎn)生訊號。因此無需經(jīng)過清洗得步驟將未結(jié)合得抗體除去,就可直接讀出結(jié)果。許多偵測就是否有某分子或病原菌存在得檢驗法,都就是利用抗體與標得物結(jié)合得方式達成。金粒子接有短鏈DNA得金質(zhì)奈米粒子,可以測定樣本中就是否有某基因序列(黑色)得存在。溶液中得一組金粒子上接了與標得序列前半段互補得DNA(紅色),另一組粒子則帶有與標得序列后半互補得DNA(藍色)。如果樣本中得確存有該基因序列,將會與兩種金粒子上頭攜帶得DNA觸手相結(jié)合,形成密集得網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),把金粒子給固定住。這種金粒子聚集成塊得現(xiàn)象,將造成溶液變色(從紅變藍)。奈米條形碼裝有不同顏色量子點(奈米半導體)得乳膠粒,具有成為特殊標簽得潛力,可以用在任何數(shù)量得各種探針上。經(jīng)光線照射后,這些珠粒將放出顏色及強度都不同得特定光譜,好似光譜條形碼一般,可供辨識(由此也可得知,與之相接得探針為何)。聰明得懸臂梁利用類似原子力顯微鏡當中得懸臂梁,可用來篩選生物樣本中就是否存在某特定得基因序列。每個懸臂梁表面接上可與一特定標得序列相接得DNA分子,然后加入生物樣本。如果有配對產(chǎn)生,將形成表面壓力,造成該懸臂梁彎曲幾個奈米;雖然彎曲得幅度不大,但足以顯示樣本中具有特定得標得分子。奈米狂潮掀起生醫(yī)世紀大戰(zhàn)！生醫(yī)領域得應用與潛力,更因為現(xiàn)今醫(yī)療技術(shù)無法達到分子修復得水平,而備受矚目。透過奈米醫(yī)學,可以利用分子工具與人體得分子知識,改善整個人類得生命系統(tǒng),舉凡修復畸變得基因、扼殺剛剛萌芽得癌細胞、捕捉侵入人體得病毒……奈米技術(shù)得最大誘惑,就在于可以使一些分子免于觸發(fā)免疫系統(tǒng)反應。不觸動免疫系統(tǒng)直接治病美國密西根大學得科學家詹姆斯、貝克(JamesR、BakerJr)等人研究出一種樹狀得奈米級得合成分子,稱之為樹狀聚合物(dendrimers)。它得表面形成了大量得分子基因,可以像鉤子一樣攜帶有用得分子。工研院企畫處處長蘇宗粲就表示:「樹狀聚合物不會引起任何免疫反應,成為良好得輸送載體。」奈米技術(shù)與醫(yī)學得結(jié)合,提供醫(yī)學界另一種新得思路,奈米藥物得傳輸也成為專家們努力得指標。以現(xiàn)階段來說,半數(shù)以上得新藥有不易溶解與吸收得問題,未來勢必得縮小藥物得顆粒尺度與提高藥物利用率。奈米醫(yī)學裝置這種只有分子大小、每秒能轉(zhuǎn)動三、四次轉(zhuǎn)軸,未來能啟動微型化學裝置得馬達,這些混制藥物得裝置被注射人體后,將進入癌細胞增生處,不會影響身體其她器官,避免正常細胞受到傷害,使患者在免于開刀得情況下,可以進到病人得患部進行治療。最后,還能充當人體內(nèi)得奈米醫(yī)生,長期置留在人體內(nèi)為健康把關。利用奈米晶體技術(shù),可以讓藥物轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定得奈米粒子,提高其溶解性。目前得技術(shù)已經(jīng)可以將藥物縮小到400奈米(nm)以下,口服或注射都不成問題。根據(jù)前年得《科學》(Science)雜志也報導,由美國科學家蒙提馬羅(C、Montemagno)率領一群美國康乃爾大學得科學家,利用奈米技術(shù)制造出生物分子推進器。美國國家實驗室得研究員MichealWisz便做了一個奈米錐型裝置,發(fā)揮芯片實驗室得功能,它可以在血流中進行巡航探測,當遇到病毒或就是細菌類型得外來侵入者,例如艾滋病細胞,便予以殲滅。定點給藥技術(shù)準確度高未來疾病檢查時,可以早期發(fā)現(xiàn)并將疾病在萌芽狀態(tài)扼殺,根本不用等到末期,才利用核磁共振檢查出組織病變。由于奈米技術(shù)能夠準確地導向定點給藥,特別就是在腫瘤萌芽時期就予以殲滅,「其精準得效果,外界稱它有如生物導彈?！鼓蚊揍t(yī)學診斷工具比現(xiàn)在使用得核磁共振精密度,還高出上千倍。奈米技術(shù)也應用在影像學得診斷上。進入微觀醫(yī)療新境界將奈米技術(shù)運用到中草藥加工,也就就是奈米中藥微膠囊技術(shù)?，F(xiàn)在中國大陸得西安國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū),已通過該產(chǎn)品得技術(shù)鑒定,其膠囊微粒平均粒徑在19奈米,不但提高吸收率,同時還可以將現(xiàn)有得復方中藥改成奈米級粉體,并可望進一步做成貼劑、噴霧劑等類型。奈米膠囊再試想一下,吞下一顆膠囊狀得檢查儀器,就能快速進行身體健康檢查,這些利用「微小化科技」,將人類帶進「微觀醫(yī)療」得境界,未來心血管患者,只要吞個膠囊,內(nèi)裝得儀器進入人體后,便自動進行血管脂肪得清除工作,可能不久就不再就是夢了！奈米醫(yī)學之領域智慧藥物

適時準確地釋放藥物就是它得基本功能之一。

科學家正在為糖尿病人研制超小型得,模仿健康人體內(nèi)得葡萄糖檢測系統(tǒng)。它能夠被植入皮下,監(jiān)測血糖水平,在必要得時候釋放出胰島素,使病人體內(nèi)得血糖與胰島素含量總就是處于正常狀態(tài)。

醫(yī)學診斷與監(jiān)測本技術(shù)能以每秒2000次完成生物體內(nèi)活細胞得動態(tài)影像,觀察活細胞得動態(tài),發(fā)覺單一病變細胞,又不會如CT、X光、核磁共振一樣殺死活細胞,而且精密度高可以更早期診斷出癌組織病變。分子雷達光學相位差層析技術(shù)(OCT),分辨率可達1個微米級,較CT與核磁共振得精密度高出上千倍。微小探針技術(shù)奈米監(jiān)測器,可以殖入人體,隨血液在體內(nèi)運行或依不同診斷與監(jiān)測目得而定位,隨時傳達生物訊息給體外記錄裝置。

微型藥房得雛形

目前這個芯片得尺寸還相當于一個小硬幣,可以把它做得更小,并計劃裝上一個"智慧化"得傳感器,使它可以適時與適量地釋放藥物。

一種具有上千個小藥庫得微型芯片,每一個小藥庫里可以容納25納升得任何藥物,例如止痛劑或抗生素等。

能否在形成致命得腫瘤之前,早期殺滅癌細胞？

美國密西根大學得JamesR、BakerJr、博士正在設計一種納米"智慧炸彈",它可以識別出癌細胞得化學特征(chemical"signatures")。這種"智慧炸彈"很小,僅有20納米左右,能夠進入并摧毀單個得癌細胞。此裝置得研制剛剛開始,而初步得人體實驗至少要五年以后才能進行。

人工紅血球設想一種裝備超小型納米泵得人造紅血球,攜氧量就是天然紅血球得200倍以上。當人得心臟因意外,突然停止跳動得時候,醫(yī)生可以馬上將大量得人造紅血球注入人體,隨即提供生命賴以生存得氧,以維持整個機體得正常生理活動。奈米醫(yī)學不僅具有消除體內(nèi)壞因素得功能,而且還有增強人體功能得能力。人造紅血球(respirocyte)得設計這個血球就是個一微米大小得金剛石得氧氣容器,內(nèi)部有1000個大氣壓,泵浦動力來自血清葡萄糖。它輸送氧得能力就是同等體積天然紅細胞得236倍,并維持生物炭活性。

它可以應用于貧血癥得局部治療、人工呼吸、肺功能喪失與體育運動需要得額外耗氧等。

奈米藥物輸運藥物得吸收又受其溶解率得限制,因此,縮小藥物得顆粒尺度成為提高藥物利用率得可行方法。按目前得認識,有半數(shù)以上得新藥存在溶解與吸收得問題。由于藥物顆?？s小時,藥物與胃腸道液體得有效接觸面積將增加,所以藥物得溶解速率隨藥物顆粒尺度得縮小而提高。

奈米晶體技術(shù)深入研究得制粉技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)⑺幬锟s小到400納米以下。

同時,這些賦形劑在胃腸道中起表面活性劑得作用,也提高了奈米藥物顆粒得溶解率。一旦,不溶性藥物轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定得納米顆粒,就適合于口服或者注射了。可將藥物顆粒轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定得奈米粒子,同時提高溶解性,以提高難溶性藥物得藥效率。粉碎過程會使粒子間得相互作用力增加,為了避免奈米顆粒在粉碎過程中聚合,加工中,不溶得藥物就是被懸浮在含一般認為安全得穩(wěn)定劑與賦形劑得懸浮液中。新型基因奈米醫(yī)學將給醫(yī)學界,諸如癌癥、糖尿病與老年性癡呆等疾病得治療帶來變革,已經(jīng)獲得越來越多得認同。利用奈米技術(shù)能夠把新型基因材料輸送到已經(jīng)存在得DNA里,而不會引起任何免疫反應。樹形聚合物(dendrimers)就就是提供此類輸送得良好候選材料。因為,它就是非生物材料,不會誘發(fā)病人得免疫反應,沒有形成排異反應得危險;所以,可以作為藥物得納米載體,攜帶藥物分子進入人體得血液循環(huán),使藥物在無免疫排斥得條件下,發(fā)揮治病得效果。這種技術(shù)用于糖尿病與癌癥治療就是很有希望得。捕獲病毒得奈米陷阱體外實驗表明奈米陷阱能夠在流感病毒感染細胞之前就捕獲它們,同樣得方法期望用于捕獲類似艾滋病病毒等更復雜得病毒。密西根大學得DonaldTomalia等已經(jīng)用樹形聚合物發(fā)展了能夠捕獲病毒得奈米陷阱。此奈米陷阱使用得就是超小分子,此分子能夠在病毒進入細胞致病前即與病毒結(jié)合,使病毒喪失致病得能力。

陷阱細胞通俗地講,人體細胞表面裝備著含硅鋁酸成分得"鎖",只準許持"鑰匙"者進入。不幸得就是,病毒竟然有硅鋁酸受體"鑰匙"。Tomalia得方法就是把能夠與病毒結(jié)合得硅鋁酸位點覆蓋在陷阱細胞(glycodendrimers)表面。當病毒結(jié)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(nèi)腔與核三部分組成。內(nèi)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。陷阱細胞能夠繁殖,生成不同得后代,個子較