大多數(shù)人都有生病、吃藥、打針的經(jīng)歷,醫(yī)學(xué)就是研究疾病,治病救人的科學(xué)。那么納米醫(yī)學(xué)又是什么呢?我們知道人體是由多種器官組成的,如:大腦、心臟,肝,脾,胃,腸,肺,骨骼,肌肉和皮膚;器官又是由各種細胞組成的,細胞是器官的組織單元,細胞的組合作用才顯示出器官的功能。那么細胞又是由什么組成的呢?按現(xiàn)在的認識,細胞的主要成份是各種各樣的蛋白質(zhì)、核酸、脂類和其它生物分子,可以統(tǒng)稱生物分子,它的種類在數(shù)十萬種。生物分子是構(gòu)成人體的基本成分,它們各自具有獨特的生物活性的,正是它們不同的生物活性決定了它們在人體內(nèi)的分工和作用。由于人體是由分子構(gòu)成的,所有的疾病包括衰老本身也可歸因于人體內(nèi)分子的變化。當(dāng)人體的分子機器,如合成蛋白質(zhì)的核糖體,DNA復(fù)制所需的酶等,出現(xiàn)故障或工作失常時,就會導(dǎo)致細胞死亡或異常。從分子的微觀角度來看,目前的醫(yī)療技術(shù)尚無法達到分子修復(fù)的水平。而納米醫(yī)學(xué)則是在分子水平上,利用分子工具和人體的分子知識,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),廣義地講都屬于納米醫(yī)學(xué)的范疇。換句話講,人們將從分子水平上認識自己,創(chuàng)造并利用納米裝置和納米結(jié)構(gòu)來防病治病,改善人類的整個生命系統(tǒng)。首先需要認識生命的分子基礎(chǔ),然后從科學(xué)認識發(fā)展到工程技術(shù),設(shè)計制造大量的具有令人難以置信的奇特功效的納米裝置,這些微小的納米裝置的幾何尺度僅有頭發(fā)絲的千分之一左右,是由一個個分子裝配起來的,能夠發(fā)揮類似于組織和器官的功能,并且更準(zhǔn)確和更有效地發(fā)揮作用。他們可以在人體的各處暢游,甚至出入細胞,在人體的微觀世界里完成特殊使命。例如:修復(fù)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(nèi)化學(xué)或生物化學(xué)成分的變化,適時地釋放藥物和人體所需的微量物質(zhì),及時改善人的健康狀況。最終實現(xiàn)納米醫(yī)學(xué),使人類擁有持續(xù)的健康。未來的納米醫(yī)學(xué)將是強大的,它又會是令人驚訝得小,因為在其中所發(fā)揮作用的藥物和醫(yī)療裝置都是肉眼所無法看到的。但是它的功能會令世人驚嘆。
需要說明,不要馬上跑到大夫那兒去要納米處方。上面所談的納米醫(yī)學(xué)景觀尚處于設(shè)計和萌芽階段,還有很多的未知需要去探索,例如:這些納米裝置該由什么制成?他們是否可以被人體接受?并發(fā)揮所預(yù)期的作用?科學(xué)家們正在全力以赴地把納米醫(yī)學(xué)的科學(xué)想法變成醫(yī)學(xué)現(xiàn)實。終有一天,醫(yī)藥柜越小,效力越大。
一定有人會問:納米醫(yī)學(xué)是不是科學(xué)幻想?它離我們到底有多遠?還要等多久才能看到醫(yī)學(xué)實現(xiàn)?事實上,它已經(jīng)開始步入現(xiàn)實,并獲得蓬勃發(fā)展。
(1) 智能藥物
這是納米醫(yī)學(xué)中的一個非;钴S的領(lǐng)域,適時準(zhǔn)確地釋放藥物是它的基本功能之一?茖W(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)。最近,美國麻省理工學(xué)院的研究者做出了微型藥房的雛形:一種具有上千個小藥庫的微型芯片,每一個小藥庫里可以容納25納升的任何藥物,例如止痛劑或抗生素等。它的研究者之一Robert Langer說,目前這個芯片的尺寸還相當(dāng)于一個小硬幣,可以把它做得更小,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。能否在形成致命的腫瘤之前,早期殺滅癌細胞?美國密西根大學(xué)的James R. Baker Jr.博士正在設(shè)計一種納米"智能炸彈",它可以識別出癌細胞的化學(xué)特征(chemical "signatures")。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。此裝置的研制剛剛開始,而初步的人體實驗至少要五年以后才能進行。
(2) 人工紅血球
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(nèi)臟器官缺氧后也會呈現(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。美國的納米技術(shù)專家Robert Freitas初步提出的人造紅血球(respirocyte)的設(shè)計,已成為納米技術(shù)的標(biāo)志性結(jié)果。這個血球是個一微米大小的金剛石的氧氣容器,內(nèi)部有1000個大氣壓,泵浦動力來自血清葡萄糖。它輸送氧的能力是同等體積天然紅細胞的236倍,并維持生物炭活性。 它可以應(yīng)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。它的基本設(shè)計和結(jié)構(gòu)功能,以及與生物體的相容性等已有專著詳細論述。在此僅對其結(jié)構(gòu)功能做簡單介紹。
它的腔體外殼是與生物體相容的金剛石,腔內(nèi)儲氧,開口處是一個可以從腔內(nèi)向外傳遞氧的轉(zhuǎn)子,隨其旋轉(zhuǎn),將氧分子輸入血液。
(3)納米藥物輸運
納米微粒藥物輸送技術(shù)也是重要發(fā)展方向之一。按目前的認識,有半數(shù)以上的新藥存在溶解和吸收的問題。由于藥物顆?s小時,藥物與胃腸道液體的有效接觸面積將增加,所以藥物的溶解速率隨藥物顆粒尺度的縮小而提高。藥物的吸收又受其溶解率的限制,因此,縮小藥物的顆粒尺度成為提高藥物利用率的可行方法。 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,同時提高溶解性,以提高難溶性藥物的藥效率。粉碎過程會使粒子間的相互作用力增加,為了避免納米顆粒在粉碎過程中聚合,加工中,不溶的藥物是被懸浮在含一般認為安全的穩(wěn)定劑和賦形劑的懸浮液中。深入研究的制粉技術(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(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米顆粒,就適合于口服或者注射了。
納米醫(yī)學(xué)將給醫(yī)學(xué)界,諸如癌癥、糖尿病和老年性癡呆等疾病的治療帶來變革,已經(jīng)獲得越來越多的認同。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。因為,它是非生物材料,不會誘發(fā)病人的免疫反應(yīng),沒有形成排異反應(yīng)的危險;所以,可以作為藥物的納米載體,攜帶藥物分子進入人體的血液循環(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。
(4) 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(fù)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(jié)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(zhǔn)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(jié)合的硅鋁酸位點覆蓋在陷阱細胞(glycodendrimers)表面。當(dāng)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。陷阱細胞能夠繁殖,生成不同的后代,個子較大的后代可能攜帶更多的藥物。盡管原因尚不明確,所觀察的特點是越大效果越好。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。
(5)識別血液異常的生物芯片
美國圣地亞國家實驗室的發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)了納米愛好者的預(yù)言。正像所預(yù)想的那樣,納米技術(shù)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。 Micheal Wisz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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)波長的光,以此鑒別癌變。
需要說明,不要馬上跑到大夫那兒去要納米處方。上面所談的納米醫(yī)學(xué)景觀尚處于設(shè)計和萌芽階段,還有很多的未知需要去探索,例如:這些納米裝置該由什么制成?他們是否可以被人體接受?并發(fā)揮所預(yù)期的作用?科學(xué)家們正在全力以赴地把納米醫(yī)學(xué)的科學(xué)想法變成醫(yī)學(xué)現(xiàn)實。終有一天,醫(yī)藥柜越小,效力越大。
一定有人會問:納米醫(yī)學(xué)是不是科學(xué)幻想?它離我們到底有多遠?還要等多久才能看到醫(yī)學(xué)實現(xiàn)?事實上,它已經(jīng)開始步入現(xiàn)實,并獲得蓬勃發(fā)展。
(1) 智能藥物
這是納米醫(yī)學(xué)中的一個非;钴S的領(lǐng)域,適時準(zhǔn)確地釋放藥物是它的基本功能之一?茖W(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)。最近,美國麻省理工學(xué)院的研究者做出了微型藥房的雛形:一種具有上千個小藥庫的微型芯片,每一個小藥庫里可以容納25納升的任何藥物,例如止痛劑或抗生素等。它的研究者之一Robert Langer說,目前這個芯片的尺寸還相當(dāng)于一個小硬幣,可以把它做得更小,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。能否在形成致命的腫瘤之前,早期殺滅癌細胞?美國密西根大學(xué)的James R. Baker Jr.博士正在設(shè)計一種納米"智能炸彈",它可以識別出癌細胞的化學(xué)特征(chemical "signatures")。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。此裝置的研制剛剛開始,而初步的人體實驗至少要五年以后才能進行。
(2) 人工紅血球
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(nèi)臟器官缺氧后也會呈現(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。美國的納米技術(shù)專家Robert Freitas初步提出的人造紅血球(respirocyte)的設(shè)計,已成為納米技術(shù)的標(biāo)志性結(jié)果。這個血球是個一微米大小的金剛石的氧氣容器,內(nèi)部有1000個大氣壓,泵浦動力來自血清葡萄糖。它輸送氧的能力是同等體積天然紅細胞的236倍,并維持生物炭活性。 它可以應(yīng)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。它的基本設(shè)計和結(jié)構(gòu)功能,以及與生物體的相容性等已有專著詳細論述。在此僅對其結(jié)構(gòu)功能做簡單介紹。
它的腔體外殼是與生物體相容的金剛石,腔內(nèi)儲氧,開口處是一個可以從腔內(nèi)向外傳遞氧的轉(zhuǎn)子,隨其旋轉(zhuǎn),將氧分子輸入血液。
(3)納米藥物輸運
納米微粒藥物輸送技術(shù)也是重要發(fā)展方向之一。按目前的認識,有半數(shù)以上的新藥存在溶解和吸收的問題。由于藥物顆?s小時,藥物與胃腸道液體的有效接觸面積將增加,所以藥物的溶解速率隨藥物顆粒尺度的縮小而提高。藥物的吸收又受其溶解率的限制,因此,縮小藥物的顆粒尺度成為提高藥物利用率的可行方法。 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,同時提高溶解性,以提高難溶性藥物的藥效率。粉碎過程會使粒子間的相互作用力增加,為了避免納米顆粒在粉碎過程中聚合,加工中,不溶的藥物是被懸浮在含一般認為安全的穩(wěn)定劑和賦形劑的懸浮液中。深入研究的制粉技術(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(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米顆粒,就適合于口服或者注射了。
納米醫(yī)學(xué)將給醫(yī)學(xué)界,諸如癌癥、糖尿病和老年性癡呆等疾病的治療帶來變革,已經(jīng)獲得越來越多的認同。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。因為,它是非生物材料,不會誘發(fā)病人的免疫反應(yīng),沒有形成排異反應(yīng)的危險;所以,可以作為藥物的納米載體,攜帶藥物分子進入人體的血液循環(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。
(4) 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(fù)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(jié)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(zhǔn)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(jié)合的硅鋁酸位點覆蓋在陷阱細胞(glycodendrimers)表面。當(dāng)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。陷阱細胞能夠繁殖,生成不同的后代,個子較大的后代可能攜帶更多的藥物。盡管原因尚不明確,所觀察的特點是越大效果越好。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。
(5)識別血液異常的生物芯片
美國圣地亞國家實驗室的發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)了納米愛好者的預(yù)言。正像所預(yù)想的那樣,納米技術(shù)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。 Micheal Wisz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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)波長的光,以此鑒別癌變。