纳米材料在生物医学领域的应用

纳米在生物医学领域的应用 书面报告 纳米材料在生物医学领域的应用 摘要:纳米在生物、医学中的应用使得现代医学有了较大的发展空间，使人们在对生命探索、治疗疾病、卫生保健等方面有了进一步的发展。国际社会纳米生物技术的研究范围涉及纳米生物材料、药物和基因运转纳米载体、纳米生物相容性人工器官、纳米生物传感器和成像技术，以及利用扫描探针显微镜蛋白质和DNA的结构与功能等重要领域。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。 关键词:纳米材料;生物;医学;应用; 2.纳米材料疾病诊断方面的应用 2.1 基因诊断方面 利用分子杂交及荧光技术检测DNA 片段, 已为基因诊断在临床上的应用带来了巨大的发展前景。目前研究明,利用纳米技术, 如利用金纳米微粒结合杂交DNA 片段, 很容易进入机体细胞核并与核内染色体组合, 具有较高的特异性, 可以克服目前基因诊断所面临的困难问题, 进一步提高基因诊断在实验室中的地位。一些科学家通过超顺磁性氧化铁纳米粒脂质体对肝癌的研究, 提高了直径3 mm 以下的肿瘤检测率。 2.2分子生物芯片方面 近年来，以D N A 芯片为代表的生物芯片(Biochip)技术得到了迅速发展。目前生物芯片技术正在向纳米化、高度集中化和多功能化方向发展。目前，在疾病诊断中应用较多的是D N A 芯片技术，这种技术是利用两种不同荧光染料标记的靶序列同时与同一个cD N A芯片杂交，通过对不同颜色的荧光信号强度分析即可反映出基因表达的变化。一些研究结果表明，用D N A 芯片技术可以实现癌症的快速精确检测，这表明D N A 芯片技术在肿瘤诊断中具有较好的应用前景。用不同荧光标记的靶序列标记来自卵巢癌细胞及正常人白细胞的cD N A 构成的微阵列杂交，根据产生的不同荧光信号来分析卵巢癌患者基因拷贝数的变化。 D N A 用于检测遗传性乳腺癌和卵巢癌基因BR CA 1 第11 外显子(全长3.45 kB)的突变，因为突变通常是癌症的早期信号，从而可以预防患病的危险 性。 2.3 纳米造影材料方面 如今医学影像技术的快速发展，增加了疾病诊断的准确性和快速性，磁共振成像(M R I)是近年来发展起来的医用影像学诊断中的重要成就之一。因为生命体内不同的组织、脏器以及细胞等对不同尺寸的颗粒具有一定的选择富集或结合的性质，通过具有良好生物相容性的纳米微粒控制释放体系，使得纳米尺度的微粒材料可以在身体的一些特定部位或区域富集，以达到被动靶向的目的;如果纳米微粒表面修饰上一定的分子，例如一定的抗体，则该材料可主动地寻找到相关的抗原等目标分子，与其结合，获得主动靶向的功能。科学家将造影增强剂SH U -555A 用于肝脏的M R I显像，结果显示，含有纳米粒子氧化铁的SH U -555A 能明显增强肝脏的对比显像，可早期发现肝肿瘤。另外在使用磁共振成像对兔脉络膜黑色素瘤模型的诊断过程中，使用超顺磁性单晶氧化铁纳米粒子作为对比剂注入血管后，单个肿瘤的T2 加权像密度在0.5 小时后增加46% ~78% ，24 小时后增加24% ~48% 。由此看见纳米微粒造影体系在医用血池显影，以及肝、肺肿瘤诊断等领域具有很好的应用前景。 2.4 纳米生物传感器方面 纳米生物传感器是利用纳米材料实现了传感器结构的超微化，在测定亚细胞水平的化学物质方面更为可靠。将纳米生物传感器与生化检测技术相结合，能够对体内是否存在恶性肿瘤进行早期诊断。 例如 光学相干层析技术:分辨率可达1 个微米级，它能以每秒2 000 次的速度完成生物体内活细胞的动态成像，观察活细胞的动态，发现单个细胞病变，且不会像X 线那样杀死活细胞。因此，人们不必等到疾病发生后才检查出组织病变。 原子粒显微镜:原子粒显微镜(A tom ic Force M icroscope，A FM )可以在纳米水平上揭示病变细胞的形态特点，通过探测细胞表面特异性的异常纳米结构改变，可以准确地发现病变细胞，从而实现组织细胞水平上的病理学诊断。 3 纳米材料在疾病治疗中的应用 纳米材料治疗疾病也就是利用人体分子工具和分子知识, 预防、诊断、治疗疾病和创伤, 劫除疼痛, 保护和改善人体健康的科学和技术。纳米技术能使DNA 通过主动靶向作用定位于细胞,将质粒DNA 缩小到( 50~ 200) nm, 且带上负电荷, 进入到细胞核, 并且可以插入到细胞核DNA 的确切部位, 起到对症治疗效果。同时分子纳米技术能够快速有效决定基因序列, 基因和药物的体内走向、传送和定位传递, 使临床诊断和治疗过程效率得以提高。同时无机纳米颗粒体积小, 可 在血管中随血液循环、透过血管壁进入各个脏器的细胞中, 作为新型非病毒型基因载体能有效介导DNA 的转导, 并使其在细胞内高水平的表达, 从而为基因表达、功能研究及基因治疗提供了新的技术和手段。例如用硅颗粒与脂质体混和与DNA 一起转染细胞, 发现其转染效率比单纯用脂质体转染提高8倍。 3.1 在肿瘤治疗中的应用 基因治疗是目前肿瘤治疗研究的热点。由于肿瘤细胞有较强的吞噬能力, 肿瘤组织血管的通透性也较大, 而纳米控释微粒具有较小的尺寸, 很容易透过和在肿瘤部位聚集, 从而提高疗效, 减少给药剂量和不良反应。科学家利用J- 591抗体可识别PSMA 蛋白的特性, 制备J- 591抗体靶向控制释放纳米粒, 可作为有效的前列腺癌细胞基因治疗载体, 对前列腺癌细胞进行基因治疗。以及将阿霉素葡聚糖复合物包封制成壳聚糖纳米粒子经静脉注入荷瘤小鼠后不仅可延长药物血浆半衰期, 而且可借助增强的渗透保留效应使药物富集到肿瘤组织, 并能缓慢释放药物延长药效。 3.2 激光纳米治疗癌症 在生物细胞中的碳纳米管对激光能量具有强烈吸收效应, 并将光能量迅速转化为热能,产生的热效应导致了细胞的立刻崩溃。 对梨形四膜虫喂食经过药物修饰的碳纳米管后, 在细胞 内部出现了碳纳米管的积聚物。在将细胞移至视野中心 焦点处, 可以看到细胞/ 爆炸的剧烈反应。 4.纳米材料在医药方面的应用 4.1纳米中药 纳米中药是指运用纳米技术制造的粒径小于100nm的中药有效成分、有效部位。中药纳米化后可能导致药物的理化性质、生理活性发生重要变化, 甚至改变中药药性, 产生新的功效，提高生物利用度,增强靶向性;降低毒副作用。通过 100、150、200、500 nm)的矿物中药雄黄和石决明(纳米、微米研究不同粒径(? 和常态)对药效的尺寸效应后认为,利用改变中药颗粒的单元尺寸(使其小到一定程度)以改变其物理状态,可以显著改变中药制剂产生的药理效应, 纳米技术的应用对中药的研究特别是对解决中药的“定向，定量，定时，定性”等问题产生了关键性的作用 。 4.2纳米药用载体 4.2.1 纳米磁性颗粒 磁性药物颗粒是由药物磁铁粒子载体及骨架材料组成。该药物在外磁场作用下, 通过纳米微粒的磁性导航, 使药物移向病变部位, 达到定向治疗目的。磁性 纳米颗粒, 尤其是顺磁性或超顺磁性的铁氧体纳米颗粒在外加磁场的作用下, 温度升高至40 e ~45 e 时, 可达到杀死肿瘤的目的。研究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, 而且对移植性肝肿瘤有很好的疗效。 4.2.2纳米智能药物载体 纳米智能药物载体的制备是纳米生物技术的一个分支,智能纳米药物就是在靶向给药的基础上, 设计合成缓释药包膜, 采用纳米技术制备纳米药物粒子, 结合靶向给药和智能释药优点, 用纳米技术完成制备智能纳米缓释药的目的。即除能定点给药之外, 还能根据用药环境的变化, 自我调整对环境自动给药。此种药物载体生物利用度高, 毒副作用小, 药物释放半衰期适当。 4.3纳米药物载体在临床医学中的应用 抗肿瘤药物的载体:癌症药物治疗的一个关键就是如何把药物定向的输送到癌症细胞而又不损伤正常细胞。脂质体或微胶囊作为药物载体可增加药物的水溶性, 使药物获得靶向性, 缓释抗肿瘤药物, 延长药物在肿瘤内的存留时间, 减少给药次数和毒性反应, 延长了患肿瘤动物的存活时间 口服药物载体:将一些口服药物用纳米粒子包裹后可降低胃酸、胃蛋白酶对药物的分解作用。而且, 纳米粒子能够促进那些被包裹的口服吸收特异性很差的药物在肠道的传递, 延长药物的作用时间, 环孢素是临床上常用的一种抗器官移植排斥反应的药物, 水溶性差, 体内吸收缓慢不规则, 口服其油性口服液及油溶液胶囊的生物利用度约为30%。 基因药物载体:反义寡核苷酸技术是基因治疗的常用方法之一, 。反义寡核苷酸药物可与特定的靶基因杂交, 在基因水平上干扰致病蛋白质的产生过程。由于体内无处不在的核酸内切酶和外切酶的降解作用, 寡核苷酸利用度大大减少。纳米载体与DNA 结合后, 可以避免DNA的过多降解, 并提高其被细胞捕获的能力。 5.纳米生物器件 5.1纳米生物传感器 生物传感器是利用生物特异性识别过程来实现检测的传感器件，纳米生物传感器是纳米科技与生物传感器的融合，其研究涉及到生物技术、信息技术、纳米科学、界面科学等多个重要领域。 DNA纳米生物传感器:电化学D N A 传感器以D N A 为敏感元件。将DNA 固定在用作换能器的电极上, 并通过电极使D N A 与D N A 、核糖核酸、药物、化合物、自由基等相互作用的生物学信号转变成可检测的光、电、声波等物理信 号。将DNA 探针固定在碳纳米管阵列上，在探针捕获靶基因之后可以利用电化学方法探测鸟嘌呤碱基的电化学活性，实现对多种基因的快速检测。在这种传感器当中，碳纳米管阵列既可以作为一种良好的纳米载体又因为其卓越的导电能力可以极大提高检测性能。 纳米线生物传感器:由于纳米颗粒表面易于改良, 纳米线实际上可以被任何可能的化学或生物识别分子所修饰。纳米材料以一种极度敏感, 实时和定量的方式将发生在它表面的化学键合事件转换成纳米线的电导率. 掺硼的硅纳米线己经被用来制作高度敏感, 实时监测的传感器, 用于检测pH 值以及pM浓度的抗生物素蛋白、Ca抖等生化物质。今后还可以发展应用到阵列扫描和在体诊断中。研究能快速、直接地分析小分子物质和蛋白质大分子特异性结合的微型仪器, 对于发现和筛选新药分子有实质性的意义,。一种硅纳米线场效应晶体管(F E T) 装置, 在酪氨酸蛋白激酶(A b l) 的介导下,它能高度敏感, 免标记地直接检测到A T P以及A TP的小分子阻断剂(Gl e ve c) , 5.2纳米机器人 在生物医学上，科学家们还利用纳米技术制造纳米机器人，让它在人的血管网络中漫游，进行巡逻和检查，尽早发现异常细胞，而且可以对人体内细胞组织进行修复。它不仅可以完成早期诊断工作，更重要的是可以充当微型医生而发挥治疗作用，解决传统医生难以解决的问题[3]，如:杀死癌细胞，疏通血栓，清除动脉脂肪沉积物等。这种简单的机器人，可以是一个叫做人造红细胞，约由1800 万个主要是碳的原子构成，能模仿正常的充满血红素的血红细胞行为，该装置上的压力传感器可接收医生的信号。 我国研究“OMOM 胶囊内镜系统”的纳米机器人医生，。它可以钻病症后，可以长出“脚”来，像医生一样对病变部位进行修复和治疗。进人的肚子里把人体内的图像传输到电脑屏幕上，，机器人医生不但具有检查方便、无创伤、无痛苦、无交叉感染、不影响患者的正常工作等特点，还能够完整地检查小肠。当机器人医生发现可疑病变组织后，立即能伸出“手”来取样进行活检，同时，发现胃出血等 未来展望 纳米科学技术被认为是对21 世纪一系列高新技术的产生与发展有极为重要影响的一门热点学科,将成为新世纪主要科技之一。纳米科技正在以迅猛的势头快速发展, 而且越来越渗透到各个学科和研究领域。分子纳米医学技术为基础和临床医学研究提供了重大的创新机遇和巨大的市场前景。但同时纳米技术研究更多局限于基础研究和实验室阶段, 实际应用还面临多方面挑战,存在较多问题, 诸如纳米材料在体内的降解性、稳定性、毒性, 不同药物纳米颗粒的制备、靶向 物质与药物载体结合的稳定性等问题都有待解决。