纳米技术在生物领域的应用

纳米技术在生物领域的应用随着人们对生命领域的认识的不断深入可以认为生物世界是由纳米级单元构成，并且生命系统是由纳米尺度上的分子的行为所控制的,例如血液中红血球的大小为6000-9000nm。一般细菌的长度为2000-3000nm，病毒尺寸一般为几十纳米蛋白质的尺寸为1-20nm。生物体内的RNA蛋白质复合体线度在15-20nm之间DNA链的直径为1nm等纳米粒子的尺寸比生物体内的大多数器官小。这为生物学提供了一个新的研究领域即在纳米水平上对细胞和生命进一步认识，相应地对生命本身细微结构认识的深入，将使人们不断得到启迪有助于对细胞行为更好调控促进新兴研究领域的发展因此纳米与生物的结合，不仅对探索生命本质具有重大科学意义而且具有重要的应用价值。一、纳米技术在生物系统领域的优势1.1纳米物质的尺度优势能控制纳米粒子与纳米装置的尺度是纳米技术在生物系统领域应用的一个明显优点。生物大分子如酶和受体与纳米级物质大小相似，如血红蛋白直径是5nm，脂质双分子层的厚度是6nm。因此，小于20nm的纳米粒子能穿透血管壁。磁性纳米粒子能穿过通透性的血管内皮细胞离开血液循环，所以能显像淋巴结内的转移病变。纳米粒子能穿透血脑屏障或胃肠道上皮，而以往治疗药物和显像剂很难通过它们到达预定靶点。作为药物递送载体的纳米粒子，必须小到能穿过脾脏约200nm的具有吞噬细胞的丝状网筛结构，避免被脾脏迅速滤过；必须小到能穿过150一200nm的肝窗，以避免肝窦内壁的Kupffer细胞的吞噬作用。已证实载药脂质体能增加患者生存期，这与纳米粒子能逃逸脾脏和肝脏的网状结构有关。1.2纳米物质的可溶性优势纳米粒子外层允许多种化学、分子生物实体以共价键或其它键的方式结合，增加了粒子溶解性和生物相容性。如亲水基团聚乙二醇(PEG)等结合到纳米粒子表面。明显增加其水合作用(溶解性)，在体内应用时，能保护蛋白质防止酶降解。纳米粒子的这种优点适合药物的开发与递送。亲水纳米粒子能结合、吸附或包被不溶物，此复合物实体的可溶性是由亲水纳米粒子载体表现出来的，不受不溶物限制。亲水脂质体是最常见的，美国FDA已经批准上市。PEG和其它亲水聚合物与纳米粒子表面结合后，也能增加其体内相容性。未与亲水聚合物结合的纳米粒子静注时，迅速被网状内皮系统(REs)从血液中清除；结合后的纳米粒子降低了巨噬细胞的调理作用和清除作用，从而延长了半衰期，限制肝脏的首过作用，从而增加了生物利用度。1.3纳米物质的靶向性优势脂质体作为药物递送工具是纳米技术应用到生物学的最早例子之一。阿霉素脂质体已在癌症治疗中应用，它通过被动肿瘤靶向结合来增加治疗剂活性成分和降低毒性作用。除纳米尺度外，纳米级物质可用不同的靶向剂修饰其表面也是纳米技术具有靶向性的原因。研发纳米粒子作为药物、核酸及其它分子的靶向性递送工具将成为改善治疗癌症和其它疾病的方法。纳米级物质会成为能运输大剂量化疗药物进入肿瘤细胞的靶向性常规治疗方法。树突状石、陶瓷纳米粒子和脂类包被的全氟化碳纳米乳胶，均能主动和被动地对准癌细胞，而很少进入正常细胞，减少药物毒性反应。二、纳米技术在生物系统领域的应用2.1纳米机械Boyer曾提出F1-ATPase分子模型，Walker等通过F1-ATPase分子的X射线晶体结构认为该酶是一个“马达”。Noji突破常规，采用精密的方法，并通过在膜的F0部分，作为巨型探针以提供旋转马达负载，并方便观察，然后将整个分子固定于Ni-NTA(Ni氨三乙酸配合物)涂敷的玻璃基底上，利用一台荧光显微镜观察肌动朊细丝的运动。他们直观观察到F1-ATPase分子的单个旋转见图1，而且，Noji观察到仅当有Mg-ATP存在时，F1-ATPase系缚的肌动朊细丝才能旋转，从而演示了该分子马达的功能，并符合X射线晶体结构预测的方向。该实验为Boyer旋转模型提供了直接有力的证据。更深入的研究将允许科学家们利用分子水平上的研究结果，将无机装置与自分子马达相合，创造“杂交”系统和全新纳米机械器件。人们设想利用化学能的分子马达驱动的纳米机械与阀、泵和传感器组成集成器件，这类器件能对肌体内外的变化作出反应。例如可探测有害化学物质的纳米传感器。当被有害物质激活后，这种传感器内的马达就打开阀门释放出可见的物质示警；利用小型、自给自足能量的器，械可以探测并鉴别土壤中的油类或化学污染，同时绘制出它的分布和浓度图或是根据探测的体内变化调控药物的施用等。2.2模板自组装系统目前已应用的模板有固体膜、单分子膜、有机分子、生物分子等后两者举例说明如下。利用少量有机大分子已经可以控制大分子成核、生长，形成生物矿化纳米结构材料。这些合成的纳米结构材料有许多特殊的性质，如流动性、运输行为、催化活性、分离效率、粘附特性、储存特性和从“智能”胶体中释放的动力学特性等。某些生物分子是高智能的自组装系统。例如，在生命系统自组装的构建过程中，生物体利用胶原蛋，白生长羟基磷灰石，从而形成硬组织；蛋白质能精确地折叠预定的三维结构模式；核酸可以根据双螺旋结构进行自组装；抗体与抗原结合时有高度的专一性；类似分子马达的生物组装可用作输运作用等。生物分子间准确的分子识别功能使其成为非常有发展前途的组装模板，有可能实现不同纳米粒子间的组装。迄今为止，利用生物分子作为模板合成无机纳米粒子，已可以精确地控制生成粒子的大小，形状和结构等。2.3纳米生物标记生物标记是广泛用于临床的可视化的技术之一。利用纳米粒子的小尺寸效应，美国California的Bruchez等经过10年的研究，合成了一系列不同粒径的CdSe等纳米粒子，得到了其粒径对荧光波长(或能带宽度)的响应规律。从图中可见CdSe、InP、InAs等半导体纳米粒子的荧光峰值位置随纳米粒子粒径减小，向短波方向移动，并有十分明显的间隔，可以用于荧光生物标记。他们将不同粒径(5nm和3nm)的样品注入3T3鼠纤维原细胞中，然后用激光或紫外灯照射，观察到两种不同的颜色，即红色和绿色。从荧光分析表明，发绿光的5nm颗粒位于纤维中，而发红光的3nm粒子位于细胞核中。他们认为，该半导体纳米粒子作为荧光生物标记，将优于染料，在诊断和显影方面具有更广泛的应用前景。2.4.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。掺硼的硅纳米线已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、Ca2+等生化物质，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，wan等报导了一种硅纳米线场效应晶体管(FET)装置，在酪氨酸蛋白激酶(Abl)的介导下，它能高度敏感，免标记地直接检测到ATP以及ATP的小分子阻断剂(Gleevec)，因此能成为药物开发的一项技术平台(见图)。2.5生物芯片与微加工技术朝纳米尺度发展一样，某些种类的生物芯片的研究也正在向纳米量级发展。研究人员发现一些天然分子的生物自组装能力完全可以用于制作纳米器件。例如，用胶原质做导线，抗体做夹子，DNA做存储器，膜蛋白做泵等等，虽然目前尚无成功的纳米芯片出现。人们利用分子的自组装特性制作了一些结构，如直径为0.5m、长30m的脂质管；直径0.7m的圆形多肽纳米管和显微分子齿轮等。这些利用分子来设计和装配类似仪器零件的研究，为纳米芯片的开发打下了良好的基础。在生物芯片的下列领域，纳米技术也充满希望：(1)进一步减小测试尺度增加检测容量在每个实验中允许研究更多基因(2)提高其灵敏度(3)探索这类系统在临床甚至作为体内实时传感器等方面的应用三、纳米与生物医药从原理上来讲，药物颗粒的尺寸可由微米减小至纳米甚至更小尺寸，由于纳米粒子和生命细胞的尺寸相近，将有利于药物溶解于体内环境，增加其稳定性，发挥药效。纳米和药物的相关结合点如下。3.1药物尺寸纳米化将水溶性差或难溶药物的分子加工成纳米微粒，可以提高其生物利用度、制剂的均匀性、分散性和吸收性，从而产生良好的疗效。最近，美国科研人员利用“纳米药物制剂”的新工艺，制备出阿酶素注射剂、克霉唑制剂、戊聚糖多硫酸酯、阿糖胞苷；用于器官移植的拉哌霉素口服液；高效透皮释放制剂等。医药专家认为，利用纳米技术加工的超微药物适用于日服控释片、颊含片、干粉吸入剂、雾剂、舌面速溶片以及植入式制剂和脂质体等剂型。3.2靶向药物及其输运纳米粒子已被用于向细胞输运药物和基因。这些粒子可与通常难溶的、不易被细胞内化(细胞难以吸收)的化合物结合，“源生粒子”可因此进入血液，而不会象不溶粉末一样阻塞毛细血管和其他小血管。因此，在人体中药物作用的效率和速度显著增加，同样地，携带DNA片段的纳米粒子可以被用于向靶细胞导入特定基因。在医药学领域，纳米级粒子将使药物在人体内的传输更为方便。数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后，有希望用于主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。不仅如此，靶配体和承载药纳米颗粒能将药物定位释放于体内的目标组织，这些纳米颗粒还将成为分子和细胞学家用来研究细胞的基本进程，如受体介质的“内吞作用”并将成为细胞内输运的得力工具。3.3纳米技术在基因治疗中的应用利用高压气体推动发射栓，使尼龙子弹高速射出，由于出口处挡板作用，尼龙子弹受阻，而金颗粒与基因仍以大于400m/s的速度射入靶细胞或组织，使基因能在生物体内进行表达复制而达到预期的目的。所需颗粒的大小及发射能量根据靶目标组织或细胞的不同而各异，这种基因导入方法具有瞬时性，表达效率高的特点。金颗粒具有的良好的生物相容性及极高比重，可以作为基因的运载体。3.4抗癌治疗德烈亚.约尔丹研究小组采用分子医学纳米技术，对普通磁疗法进行了重大技术改进。发明了新的抗癌疗法，他们将细微的铁氧体粒子用葡聚糖分子包裹在水中溶解后注入肿瘤部位，癌细胞和磁性纳米粒子浓缩在一起，肿瘤部位完全被磁场封闭。这样通电加热时，肿瘤部位的温度可以达到47摄氏度，慢慢杀死癌细胞，而临近的健康组织丝毫不受影响。由于铁氧体纳米粒子在治疗结束后可以通过人体肝脏和脾脏自然排泄，精确的定向磁疗法不会对病人产生副作用。此前，研究小组利用新的磁疗法对患有乳腺肿瘤的实验鼠做了试验，过程如图3所示。肿瘤在1.5h治疗后完全消失预期对人体的临床治疗将首先用于成胶质细胞瘤，然后根据治疗效果，逐步推广到治疗其它肿瘤。3.5杀菌光催化反应最理想的催化剂是半导体纳米粒子，由于TiO2化学稳定性好，耐光腐蚀，并且具有合适的能级，在水净化和空气净化领域获得应用。文献报道，TiO2纳米微粒在光照条件下，在20min内，对大肠杆菌金黄色葡萄球菌杀菌率超过99%，且于80min后全部杀灭。四、清除模拟生物武器污染利用纳米粒子的小尺寸效应、大的比表面积以及表面性质，Koper小组合成了具有大表面积和表面化学吸附特性增强的的系列无机氧化物及部分包覆物超细粉末(直径为20nm以下)，对比了它们对化学毒物、神经类毒气等酸性气体的吸附能力，由图4中可见，采用气凝胶法制备的纳米粒子(AP-CaO，[Fe2O3]P-CaO)吸附特性明显优常规方法制备的样品(CP-CaO，[Fe2O3]CP-CaO)：少量(5%10%)包覆Fe2O3([Fe2O3]AP-CaO,[Fe2O3]CP-CaO)使CaO对SO2的吸附作用明显增强，从而得到了更加有效，后续处理更加简便的高活性吸附膏剂。虽然其原理不尽清楚但目前认为，这些纳米级粉末和(固化形成)多孔小球的表面化学特性似乎与特征纳米晶不同的多面体外形有关，它在军用环境修复等方面都颇具应用前景。五、展望纳米科技在人们生活中已越来越发挥重要作用，随着现代科技的进步，纳米技术在生命科学领域中的应用必将得到进一步扩大。未来的几十年里，我们认为主要集中以下几个方面：利用纳米技术与分子生物学技术结合破译生物大分子各级结构与功能；利用纳米技术研究分子之间的相互作用和分子组装进而研究病毒结构、细胞器结构细节以及其组装机制；利用纳米技术开发疾病