纳米材料在医学诊断方面的研究进展

纳米材料在医学诊断方面的研究进展姓名:刘丽娜学号:200921220005摘要：本文介绍了近年来纳米材料在医学诊断方面的研究进展。重点介绍了纳米材料在医学造影、纳米生物传感器、纳米晶量子点荧光检测技术、纳米颗粒细胞分离技术领域的应用，指出了目前纳米材料在医学诊断方面的研究存在的问题。关键词：纳米材料，医学诊断，纳米造影，纳米生物传感器，量子点荧光检测技术，纳米颗粒细胞分离技术一、引言：纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域，实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中，在结构上有序度的变化，在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别，对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。纳米微粒具有比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力强等特点，并具有许多新的光、电、磁等物理特性使得纳米材料在纳米电子器件，医学和健康，航天、航空和空间探索，环境、资源和能量，生物技术等诸多领域有了很多应用[1]。近年来，在生物医学研究领域,尤其是在医学诊断方面，纳米材料的应用发展迅速,用途越来越广泛。本文就近年来纳米材料在医学诊断方面的进展进行综述.二、正文1.纳米造影与成像材料[2]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（MagneticResonanceImaging，MRI）是近年来发展起来的医用影像学诊断中的重要成就之一。而所用造影剂（Contract-Medium）过去主要是有机荧光分子,然而有机荧光分子基团的降解、光漂白作用使得其荧光的稳定性受到影响,从而限制了它们在复杂的生理环境中的应用.随着纳米科技的蓬勃发展,一类新型的纳米粒子造影剂逐步发展起来.纳米粒子之所以能做造影材料,是基于它的如下一些物理化学性质:高的比表面积赋予它们高的表面活性;量子尺寸效应使得它们具有独特的光、电、磁学效应,因而非常适合用作造影剂.为了实现纳米粒子的生物造影功能,纳米粒子基造影剂一般需要三个组成部分:(1)无机纳米粒子核,如:金、氧化铁等,用以实现造影增强效果;(2)水可分散的壳层,如,聚乙二醇等,用以提高无机纳米粒子核的溶液稳定性;(3)赋予靶向功能的生物活性分子,如蛋白、多肽和抗体等.1.1金纳米复合粒子细胞造影剂纳米金(nanogold)是指金微小颗粒,其直径为1~100nm.一般为分散在水中的水溶胶,故又称胶体金.胶体金在510~550nm可见光谱范围之间有一吸收峰,吸收波长随金颗粒直径增大而增加.并且随着粒子周围介质的变化以及粒子形状的改变(三角形、立方体、棒状等),吸收波长会进一步发生红移,这些独特的颜色和性质也是其应用于生物化学研究的重要基础.利用金纳米粒子的表面易于功能化的特性,GuoR[3]等人制备了集载药与造影于一体的多功能聚电解质—金纳米粒子复合微球.其中,以壳聚糖为纳米载体的复合微球成功的将包覆的金纳米粒子与药物一同送入细胞核,起到了细胞核给药和细胞核造影的双重功能(图1).这使得从细胞核层面进行医疗诊断成为现实.1.2复合纳米粒磁共振造影纳米探针纳米材料应用于磁共振造影(MRI)造影剂存在明显的优势。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。图2为经过表面修饰的纳米颗粒聚集在癌细胞组织周围,从而实现癌症诊断.1.3纳米材料用于发射型计算机断层造影发射型计算机断层(EmissionComputedTomography,ECT)是一种放射性核素成像技术,通过图像重建来显示体内放射性核素的分布,从而获取感兴趣部位各个层面信息的成像技术,但目前临床使用的造影剂多为小分子造影剂,它们的缺点是能快速扩散到细胞外基质,在血液循环中驻留时间短,因此要求较高的注射剂量和注射频率.将纳米材料用放射性核素进行标记,用作成像的造影剂,可以克服小分子造影剂所固有的缺点.对纳米材料进行专属性的化学修饰,可以有目的地改变其表面化学性质,延长在血液循环和组织中的驻留时间,增强对组织和器官的靶向性,因而可以有效提高疾病的诊断效果[4].图三是通过尾静脉注射将标记后的MWNT-HCPT注入荷瘤小鼠体内,利用SPECT成像研究了该纳米药物在小鼠体内不同时间的分布情况,表明MWNT-HCPT可以快速地遍布小鼠体内各种组织,而且在肿瘤区有显著的富集(如图中箭头所示).图三:纳米材料用放射性核素进行标记,用作成像的造影剂观察到的小鼠体内的癌变组织.2纳米生物传感器纳米生物传感器是由纳米载体与能够识别肿瘤细胞表面受体的特异性配位体组装而成。纳米生物传感器与恶性肿瘤细胞特异性结合后，利用物理方法如测试传感器中的磁讯号、光讯号等，可以发现早期恶性肿瘤并准确定位，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[5]。2.1纳米探针技术纳米探针是探测单个细胞生物特性的传感器，纳米探针可植入人体，根据不同的诊断和检测目的，定位于不同部位，也可随血液在体内运行，随时将体内的各种生物信息反馈于体外记录装置而达到不同的诊断和检测目的。Vo-Dinh等[6]研制出了一种直径50nm，外面包银的光纤纳米探针,如图四所示，可传导一束氦-镉激光，用于探知可能导致肿瘤的早期DNA损伤,探测原理如图五所示。一束氦-镉激光通过光纤耦合的方法耦合到纳米探针中,纳米探针被固定在显微操纵台上,将纳米探针插入被检测细胞,由细胞内的标记物产生的荧光可以通过光电倍增管探测到,从而检测细胞内有无异常.图四:纳米探针的结构示意图和制作方法图五:纳米探针测量系统原理图图六：是用纳米探针检测单细胞中苯并芘（一种致癌物质）含量的照片。图中被测细胞是一个只有9个细胞的细胞团。从图中可以看出，纳米尺度的探针使得人类能够精确定位细胞内部的不同部位。图六用纳米探针检测单细胞中苯并芘含量的照片2.2纳米细胞检疫器世界上最小的纳米细胞检测仪器，即纳米秤，它能称量10-9g的物体，即相当于一个病毒的重量，利用它可以发现新病毒，也可定点用于开放部位的肿瘤早期诊断[7]。3、纳米晶量子点-新型荧光检测技术纳米晶量子点（NanocrystalQuantum，Dots）是指一定数量的原子按照某种方式组成的聚集体，其尺寸一般小于100nm，因为它们激活光谱广泛，发射光谱范围非常狭窄，结构稳定，适宜用做无机的荧光发色基团。用量子点标记的病变组织更稳定,检测与成像的灵敏度更高。图七是量子点和绿色荧光蛋白的活体成像比较.由图可以看出:只有量子点的荧光被检测出来，而绿色荧光蛋白的荧光则未能从身体的自发荧光中凸显出来（鼠身体左侧圆圈是绿色荧光蛋白标记肿瘤细胞的注射部位）图七.纳米晶量子点荧光标记与常规标记物的比较（左图画白圈区域为常规标记物注射处）[8]这种新型荧光材料在分子生物识别与检测方面的优势，使其具有广阔的应用发展空间。4、纳米颗粒细胞分离技术准确的细胞分离（Celldissociation）及细胞内染色对镜下研究细胞内各种组织及病理诊断时非常重要的。以往的细胞分离技术主要采用离心法，时间长效果差。近些年来，人们开始利用纳米微粒进行细胞分离，建立了用纳米微粒实现细胞分离的新技术，其基本原理为纳米微粒表面被覆于所要分离细胞有亲和力的物质作为附着层，将纳米包覆粒子均分散到含有多种细胞的胶体溶液中，再通过离心技术，使所需要的细胞很快分离出来[9]。这种技术的优点为易形成密度梯度，易实现纳米粒子与细胞的分离。图八是一种用超顺磁材料制成的纳米颗粒，利用磁分离技术可以很好的分理出了单个细胞。图九（a）是分离出的单细胞的共焦显微照片.图九（b）是细胞内融入顺磁纳米标记粒子的细胞的荧光强度和未经纳米颗粒标记的细胞的荧光强度以及稳定性的比较。前者的荧光强度明显大于后者，而在分离的细胞放置数天之后，稳定性要好于非纳米磁性颗粒分离的细胞，如图九（b黑线所示）。细胞分离技术可用于检测胎儿是否患有遗传病以及早期发现血液中的癌细胞。图八：一种用超顺磁材料制成的纳米颗粒，表面包裹了交联葡萄聚糖和荧光素。（a）分离出的单细胞的共焦显微照片（b）融入顺磁纳米标记粒子的细胞的荧光强度和未经纳米颗粒标记的细胞的荧光强度以及稳定性的比较图九康继超等[10]用聚苯乙烯包覆Fe3O4纳米微粒（50nm），加入特异性抗神经母细胞单抗后能够与骨髓细胞中癌细胞结合，利用磁分离装置将癌细胞从骨髓中分离出来，分离率达99.9%以上。图十是IMMS磁性微球与骨髓细胞的癌细胞结合的TEM照片。IMMS与癌细胞和骨髓细胞的混合物反应的结果如图十所示，IMMS只与癌细胞结合(图中黑色部分)。癌细胞完全通过IMMS被滞留于试管靠近磁珠收集器一侧，在各次上清液中均未发现，说明分离效果很好。图十：磁性微球与骨髓细胞的癌细胞结合的TEM照片三、总结与展望本文重点介绍了纳米材料在医学造影、纳米生物传感器、纳米晶量子点荧光检测技术、纳米颗粒细胞分离技术领域的应用。纳米技术被国际公认为21世纪最有前途的科学领域，方兴未艾，纳米技术应用于疾病的诊断，特别是肿瘤的诊断中取得了一系列瞩目的成就。但是，从上面介绍的几点内容可以看出，纳米材料用于医疗诊断的方法大多比较复杂，很多还未能应用于临床。因此纳米材料用于医疗诊断还处于起步阶段，还存在开发费用昂贵，指标及应用范围不明确、缺乏明确同一的标识分子等诸多问题[11]，作为常规手段广泛应用于临床受到了限制。但是我们有理由相信，应用纳米技术这一微观世界的钥匙，我们将会揭开更多疾病的奥秘，攻克一些顽疾将不再是梦想！参考文献：[1][2]高分子辅助的纳米粒子造影增强材料,丁寅,胡勇,武伟等，2010年第40卷第3期:237~246[3]GuoR,LiRT,LiXL,ZhangLY,JiangXQ,LiuBR.Dual-functionalalginicacidhybridnanospheresforcellimaginganddrugdelivery.Small,2009,5:709—717[4]BasuS,ZhuangHM,TorigianDA,RosenbaumJ,ChenWG,AlaviA.Functionalimagingofinflammatorydiseasesusingnuclearmedicinetechniques.SeminNuclMed,2009,39:124—145[5]YiDK，KimDY.Polymernanospherelithography：fabricationofanorderedtrigonalpolymericnanostructure.ChenComman（Camb），2003，21（8）：982~983][6][Vo-DinhT，AlarieJP，CullumBM，etal.Antibody-basednanoprobeformeasurementofafluorescentAnalyteinasinglecell.NatBiotechnal，2000，18（7）：764~767][7][秦仁义，裘法祖.纳米生物技术在实验外科的应用前景[J].中华实验外科杂志，2003，20（9）：773~775][8]生物纳米探针简介杨帆,郭芷萱,郭洋[9]Tatpeptide-derivatized