1、納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)上 的應(yīng)用,第一節(jié) 前言 納米醫(yī)學(xué)是在分子水平上，利用分子工具和人體的分子知識(shí)，所從事的診斷、醫(yī)療、預(yù)防疾病、防止外傷、止痛、保健和改善健康狀況等科學(xué)技術(shù)。換句話講，人們將從分子水平上認(rèn)識(shí)自己，創(chuàng)造并利用納米裝置和納米結(jié)構(gòu)來防病治病，改善人類的整個(gè)生命系統(tǒng)。,第二節(jié) 納米技術(shù)在診斷中的應(yīng)用,一、疾病診斷 1. 影像學(xué)診斷 （1） 納米粒子在影像學(xué)診斷中應(yīng)用。 將納米氧化鐵造影劑靜脈注射以后，氧化鐵顆粒被血液帶到身體的各部位，只是在肝臟和脾臟被網(wǎng)狀內(nèi)皮細(xì)胞吸收。肝臟內(nèi)的網(wǎng)狀內(nèi)皮細(xì)胞是由枯否細(xì)胞的巨噬細(xì)胞構(gòu)成，它可以吞噬氧化鐵顆粒；而惡性腫瘤細(xì)胞僅含有極少量,的枯否細(xì)胞。沒有大量吸收

2、氧化鐵的作用。 納米氧化鐵造影劑就是利用正常細(xì)胞和惡性腫瘤細(xì)胞之間的這種功能差異別。,(2) 光學(xué)相干層析術(shù)(OCT)： 一種新型的納米影像學(xué)診斷工具 OCT的分辨率可達(dá)1個(gè)微米級(jí)，較CT和核磁共振的精密度高出上千倍。它能每秒2000次完成生物體內(nèi)活細(xì)胞的動(dòng)態(tài)成像，觀察活細(xì)胞的動(dòng)態(tài)，發(fā)現(xiàn)單個(gè)細(xì)胞病變，且不會(huì)像X光、CT、磁共振那樣殺死活細(xì)胞。,2. 激光單原子分子探測術(shù)： 具有超高靈敏性激光單原子分子探測術(shù),可在含有1000億億(1019)個(gè)原子或分子的1cm3氣態(tài)物質(zhì)中，在單個(gè)原子分子層次上準(zhǔn)確獲取其中一個(gè)。它可通過人的唾液、血液、糞便以及呼出的氣體,及時(shí)發(fā)現(xiàn)人體中哪怕只有億萬分之一的各種致

3、病或帶病游離分子。,3.微小探針技術(shù)： 利用納米級(jí)微小探針技術(shù), 可向人體內(nèi)植入傳感器 ，根據(jù)不同的診斷和監(jiān)測目的，可定位于體內(nèi)的不同部位，也可隨血液在體內(nèi)運(yùn)行，隨時(shí)將體內(nèi)的各種生物信息反饋于體外記錄裝置。,4. 病理診斷方面 利用原子力顯微鏡可以在納米水平上揭示腫瘤細(xì)胞的形態(tài)特點(diǎn)。通過尋找特異性的異常納米結(jié)構(gòu)改變,以解決腫瘤診斷的難題。,5. 癌癥的早期診斷 中國醫(yī)科大學(xué)第二臨床學(xué)院把納米級(jí)微粒應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究,完成了超順磁性氧化鐵超微顆粒脂質(zhì)體的研究。運(yùn)用這項(xiàng)研究成果,可以發(fā)現(xiàn)直徑3毫米以下的肝腫瘤。這對(duì)肝癌的早期診斷、早期治療有著十分重要的意義。,二、疾病治療 1. 在基因治療方面首先要找

4、到病變細(xì)胞的DNA鏈,并進(jìn)一步明確有病的DNA片段,然后,利用納米技術(shù),將用于治療的DNA片段送到病變細(xì)胞內(nèi),替換有病的DNA片段。,2. 在器官移植方面研制出納米生物兼容物質(zhì)。在器官移植時(shí),只要在人工器官外面涂上納米粒子,就可預(yù)防人工器官移植的排異反應(yīng)。,第三節(jié) 納米制藥技術(shù) 二、納米西藥 納米晶體技術(shù)可將藥物顆粒轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米粒子，同時(shí)提高溶解性，以提高難溶性藥物的藥效率。 加工中，不溶的藥物是被懸浮在含一般認(rèn)為安全的穩(wěn)定劑和賦形劑的懸浮液中。,（1）將不易被人體吸收的藥物（如雌二醇）或食品做成納米粉或懸浮液，就變得容易吸收，提高了藥物的生物利用度。 （2）把納米藥物做成膏藥貼在患處，可

5、通過皮膚直接吸收而無須注射。 醫(yī)藥專家認(rèn)為，利用納米技術(shù)加工的細(xì)粒藥物還適用于口服控釋片、頰含片、干粉吸入劑、鼻噴霧劑、舌面速溶片以及植人式制劑和脂質(zhì)體等多種劑型。,最近，美國科研人員利用“納米藥物制劑”的新工藝，將水溶性不佳或難溶藥物的分子制成囊狀物或包在聚合物基質(zhì)中加工成納米顆粒，從而大大提高某些藥物的生物利用度。 胰島素口服要解決胃內(nèi)酸降解、胃腸內(nèi)酶水解、穿透胃腸粘膜及肝臟首過作用四個(gè)問題。胰島素普通制劑直接口服后，吸收只有1。而采用納米技術(shù)的胰島素口服給藥系統(tǒng)成功地解決了這一問題,三、納米中藥 科學(xué)證明，中藥的藥效取決于其所含有的有效活性成分，這樣的有效成分主要存在于細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間質(zhì)當(dāng)

6、中，植物細(xì)胞的細(xì)胞壁和動(dòng)物細(xì)胞的細(xì)胞膜成為這些有效成分的保護(hù)層。傳統(tǒng)的加工方法無法破碎掉這些保護(hù)層，致使中藥的藥效不能充分發(fā)揮，造成原料的浪費(fèi)。,納米生物技術(shù)為中藥的加工工藝提供了全新的技術(shù)思路和解決方案。其指導(dǎo)思想是：用一種特殊的物理制備技術(shù)，在常溫條件下，將鮮活的中藥原材料進(jìn)行納米級(jí)（或亞微米級(jí)）的超微破碎，一方面將藥材本身的細(xì)胞壁（膜）完全擊破，使得細(xì)胞中最為重要的核酸物質(zhì)和其它有效活性成分充分溢出；另一方面將有效成分的大分子物質(zhì)破碎成能被人體直接吸收的小分子顆粒懸浮在原生母液中，再采用特殊的保鮮方法將活性有效成分完好地保持在其本然的鮮活狀態(tài)。,該技術(shù)的應(yīng)用可使中藥加工呈現(xiàn)如下優(yōu)勢： 1

7、. 提高吸收率 2. 降低毒副作用 3. 增強(qiáng)功效 4. 改善劑型品質(zhì),第四節(jié) 控制釋放給藥 控釋藥(CRDDS)是控制釋放給藥系統(tǒng)(Controlled release drug delivery system,CRDDS)的簡稱。 CRDDS是通過物理、化學(xué)等方法改變制劑結(jié)構(gòu)，使藥物在預(yù)定時(shí)間內(nèi)，自動(dòng)按某一速度從劑型中恒速釋放于作用器官或特定靶組織，并使藥物濃度較長時(shí)間維持在有效濃度內(nèi)的一類制劑。,CRDDS的一個(gè)重要方向是將藥物粉末或溶液包埋在直徑為納米級(jí)的微粒(Microparticles)中。以納米粒（nanoparticles,NP）作為藥物載體，將會(huì)大大提高療效、減少副作用。 納

8、米粒的表面親脂性越大，則其對(duì)調(diào)理蛋白的結(jié)合力越強(qiáng)。故要延長納米粒在體內(nèi)的循環(huán)時(shí)間，需增加其表面的親水性，這是對(duì)納米粒進(jìn)行表面修飾時(shí)選擇材料的一個(gè)必要條件。,第五節(jié) 藥物輸送 納米技術(shù)在藥物輸送上的應(yīng)用是采用靶向技術(shù)，靶向技術(shù)的研究主要有： （1）物理化學(xué)導(dǎo)向； （2）生物導(dǎo)向。,一、物理化學(xué)導(dǎo)向 物理化學(xué)導(dǎo)向利用藥物的pH敏、熱敏、磁性等在外部環(huán)境的作用下（如外加磁場）對(duì)腫瘤組織實(shí)行靶向給藥。,二、 生物導(dǎo)向 利用抗體、細(xì)胞膜表面或特定基因片段的專一性作用，將配位子結(jié)合在載體上，與目標(biāo)細(xì)胞表面的抗原識(shí)別器發(fā)生異性結(jié)合，使藥物能準(zhǔn)確送到腫瘤細(xì)胞中。,納米粒子用作藥物載體具有下述顯著優(yōu)點(diǎn)： （1）

9、載藥納米粒作為異物而被巨噬細(xì)胞吞噬，到達(dá)網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)分布集中的肝、脾、肺、骨髓、淋巴 等靶部位；連接有配基、抗體、酶底物所在的靶部位。 （2）到達(dá)靶部位的載藥納米粒，因載體材料的種類或配比不同而具有不同的釋藥速度。調(diào)整載體材料種類或配比，可控制藥物的釋放速度，制備出具有緩釋特性的載藥納米粒。,（3）由于載藥納米粒的粘附性及小的粒徑，即有利于局部用藥時(shí)滯留性的增加，也有利于藥物與腸壁的接觸時(shí)間與接觸面積，提高藥物口服吸收的生物利用度。 （4）可防止藥物在胃酸性條件下水解，并能大大降低藥物與胃蛋白酶等消化酶接觸的機(jī)會(huì)，從而提高藥物在胃腸道中的穩(wěn)定性。,（5）載藥納米?？梢愿淖兡み\(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制，增加藥物對(duì)

10、生物膜的透過性，有利于藥物透皮吸收與細(xì)胞內(nèi)藥效發(fā)揮。,第六節(jié) 智能藥物 智能藥物是納米醫(yī)學(xué)中的一個(gè)非常活躍的領(lǐng)域，適時(shí)準(zhǔn)確地釋放藥物是它的基本功能之一。 科學(xué)家正在為糖尿病人研制超小型的，模仿健康人體內(nèi)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(shí)候釋放出胰島素，使病人體內(nèi)的血糖和胰島素含量總是處于正常狀態(tài)。,利用納米技術(shù)能夠把新型基因材料輸送到已經(jīng)存在的DNA里，而不會(huì)引起任何免疫反應(yīng)。樹形聚合物(dendrimers) 就是提供此類輸送的良好候選材料。因?yàn)?，它是非生物材料，不?huì)誘發(fā)病人的免疫反應(yīng)，沒有形成排異反應(yīng)的危險(xiǎn)；所以，可以作為藥物的納米載體，攜帶藥物分子進(jìn)入人體的血液

11、循環(huán)，使藥物在無免疫排斥的條件下，發(fā)揮治病的效果。這種技術(shù)用于糖尿病和癌癥治療是很有希望的。,第七節(jié) 人工紅血球 人工紅細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和工作示意圖 隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，氣體分子與轉(zhuǎn)子上的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合再釋放，從金剛石腔體進(jìn)入到血漿中。 納米醫(yī)學(xué)不僅具有消除體內(nèi)壞因素的功能，而且還有增強(qiáng)人體功能的能力。我們知道，腦細(xì)胞缺氧6至10分鐘即出現(xiàn)壞死，內(nèi)臟器官缺氧后也會(huì)呈現(xiàn)衰竭。設(shè)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(dāng)人的心臟因意外，突然停止跳動(dòng)的時(shí)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(gè)機(jī)體的正常生理活動(dòng)。美國的納米技術(shù)專家Rober

12、t Freitas初步提出的人造紅血球(respirocyte)的設(shè)計(jì),已成為納米技術(shù)的標(biāo)志性結(jié)果。,第八節(jié) 捕獲病毒的納米陷阱 密西根大學(xué)的Donald Tomalia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(shí)驗(yàn)表明納米陷阱能夠在流感病毒感染細(xì)胞之前就捕獲它們。此納米陷阱使用的是超小分子，此分子能夠在病毒進(jìn)入細(xì)胞致病前即與病毒結(jié)合，使病毒喪失致病的能力。 通俗地講，人體細(xì)胞表面裝備著含硅鋁酸成分的鎖，只準(zhǔn)許持鑰匙者進(jìn)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(jié)合的硅鋁酸位點(diǎn)覆蓋在陷阱細(xì)胞(glycodendrimers)表面。當(dāng)病毒結(jié)合到陷阱細(xì)胞

13、表面，就無法再感染人體細(xì)胞了。陷阱細(xì)胞由外殼、內(nèi)腔和核三部分組成。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。,第九節(jié) 識(shí)別血液異常的生物芯片 美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了納米技術(shù)在血流中進(jìn)行巡航探測，即時(shí)地發(fā)現(xiàn)諸如病毒和細(xì)菌類型的外來入侵者，并予以殲滅，從而消除傳染性疾病。 Micheal Wisz做了一個(gè)雛形裝置，發(fā)揮芯片實(shí)驗(yàn)室的功能，它可以,沿血流流動(dòng)并跟蹤像鐮狀細(xì)胞血癥和感染了愛滋病的細(xì)胞。血液細(xì)胞被導(dǎo)入一個(gè)發(fā)射激光的腔體表面， 從而改變激光的形成。癌細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生一種明亮的閃光；而健康細(xì)胞只發(fā)射一種標(biāo)準(zhǔn)波長的光，以此鑒別癌變。,第十節(jié) 治療腫瘤 一、可治療癌癥的納米粒

14、子 武漢理工大學(xué)李世譜教授經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，某些納米材料可殺死癌細(xì)胞，有效抑制腫瘤生長，而對(duì)正常細(xì)胞組織絲毫無損。李世普教授成功研制出羥基磷灰石復(fù)合陶瓷。羥基磷灰石是骨骼中的一種成分，與人體有良好的相容性，研究發(fā)現(xiàn)，羥基磷灰石的,納米材料是對(duì)付癌細(xì)胞的有效武器。委托北京醫(yī)科大學(xué)等權(quán)威機(jī)構(gòu)做的細(xì)胞生物學(xué)試驗(yàn)表明，納米粒子可以殺死人的肺癌、肝癌、食道癌等多種腫瘤細(xì)胞。年進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，向老鼠體內(nèi)腫瘤注射羥基磷灰石納米粒子溶膠，天后抑瘤率，外觀上腫塊消失。,二、表面包復(fù)的磁性粒子在治療腫瘤上的應(yīng)用 1. 利用磁性納米粒子用于癌病的診斷和治療 帶有磁性的納米Fe2O3微粒是發(fā)展這種技術(shù)的最重要的對(duì)象。例如

15、10-50nm的納米Fe2O3磁性粒子表面包覆甲基丙烯酸，尺寸為200nm,這種超細(xì)粒子攜帶蛋白、抗體和藥物可以用于癌病的診斷和治療。這種局部治療效果好，副作用少，成為癌病的治療方向。,（1）靶向性治療癌癥 將磁性納米顆粒與藥物結(jié)合,注入到人體內(nèi),在外磁場作用下,藥物向病變部位集中,從而達(dá)到定向治療的目的,將大大提高腫瘤的藥物治療效果。 以張陽德教授為首的課題組，從1995年開展了“高性能磁性納米粒DNA阿霉素治療肝癌”課題的研究，他們將肝腫瘤移植到老鼠身上，,并將載帶抗腫瘤藥物阿霉素的納米微囊注射到老鼠體內(nèi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，磁性阿霉素白蛋白納米粒聚集在老鼠癌變位置。7天后，大部分癌細(xì)胞被抑制，外觀

16、上腫塊消失。此實(shí)驗(yàn)證明，納米微囊對(duì)癌細(xì)胞具有高度的靶向性，選擇性殺死癌細(xì)胞，且不損傷正常細(xì)胞，對(duì)移植性腫瘤療效好，在人體上應(yīng)能達(dá)到相應(yīng)的效果。,（2） 原位“灼燒”或“爆炸” 治療癌癥 研究人員將極其細(xì)小的氧化鐵納米顆粒，注入患者的癌瘤里，然后將患者置于可變的磁場中，使患者癌瘤里的氧化鐵納米顆粒升溫到4547攝氏度，這溫度足以燒毀癌瘤細(xì)胞，而周圍健康組織不會(huì)受到傷害。,有科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種“聰明”的炸彈，它通過認(rèn)讀癌細(xì)胞的化學(xué)“簽字”，把癌細(xì)胞做為靶細(xì)胞，該炮彈小到約20納米，能進(jìn)入單個(gè)細(xì)胞并把它炸得片甲不留。,2. 利用磁性納米粒子分離癌細(xì)胞 例如采用約50nm的納米Fe2O3粒子，包覆聚苯乙烯后，成功用于小鼠骨髓液中癌細(xì)胞的分離。首先從羊身上取出抗小鼠Fc抗體（免疫球蛋白），然后與上述磁性粒子的包覆物相結(jié)合。將小鼠帶有正常細(xì)胞和癌細(xì)胞的骨髓液取出，加入小鼠雜種產(chǎn)生的抗神經(jīng)母細(xì)胞癌單克隆抗體，此抗體只與骨髓中的癌細(xì)胞結(jié)合。最后將帶抗體和包覆層的磁性粒子放入骨髓液中，它只與攜帶抗體的癌細(xì)胞相結(jié)合。,利用磁分離裝置很容易將細(xì)胞從骨髓中分離出來，分離率達(dá)99.9%以上。 倫敦的兒科醫(yī)院、挪威工業(yè)大學(xué)和美國噴氣推進(jìn)研究所利用這種技術(shù)成功地進(jìn)行了人體骨髓液細(xì)胞的分離來治療癌病患者。,第十一節(jié) 生物兼容物質(zhì) 生物兼容物質(zhì)的開發(fā)，是納米材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的另一個(gè)重要應(yīng)