纳米技术在检验医学和药学方面的最新研究进展

1纳米与医学---纳米技术在检验医学和药学方面的最新研究进展现在，人们（特别是在发达国家）对于维持基本生活的物质需求已经得到了满足。进入新世纪以来。更多的注意力被投向人类自身。当代医学可以治愈许多疾病，减少人们的病痛，极大的提高了人们的平均寿命和生活质量。然而不可否认的是，当代医学也有其有待弥补的缺点。比如说有些疾病的检验与定性手段不甚准确或者对人体有不可逆转的伤害；至于一些疾病的特效药物以毒攻毒，玉石俱焚，对人体的伤害很严重。所以个性化、精确化、微创化与远程化是未来医学发展的重要方向。而纳米结构是生命现象中基本的东西。蛋白质、DNA、RNA、病毒，都在1~100nm的范围，细胞中的一些结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞象一个“纳米工厂”。这就为生物学研究提供了一个新的研究途径，即利用纳米微粒进行细胞分离、细胞染色及利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等。一、局部定向治疗：举癌症为例，癌症（cancer），医学术语亦称恶性肿瘤是由控制细胞生长增殖机制失常而引起的疾病。随着人们身边的诱发致癌基因的因素不断增多，许多历史上的绝症疾病不再威胁人类的生存，癌症成了人人谈之色变的死神镰刀。癌症、肿瘤手术后要进行放射性辐照和化疗，以杀死残存的癌细胞，但与此同时大面积辐照也会使正常细胞受到伤害．尤其是会使对生命极端重要的具有造血功能和免疫系统的针髓细胞受损害。放疗，即肿瘤放射治疗，是利用放射线如放射性同位素产生的α、β、γ射线和各类x射线治疗机或加速器产生的x射线、电子线、质子束及其它粒子束等治疗恶性肿瘤的一种方法。化疗，即用化学合成药物治疗疾病的方法。化疗是目前治疗肿瘤及某些自身免疫性疾病的主要手段之一，但在治疗中，患者普遍有明显的恶心呕吐等副作用，给患者带来不适感。因为化疗由于对癌细胞和正常细胞没有分辨能力，多次放化疗后，患者头发脱落，胃肠功能紊乱，低烧不退，恶心，呕吐。而且凭借现在的科学技术水平，化疗不能根治任何恶性肿瘤。化疗药物可损害患者的免疫系统，导致免疫功能缺陷或下降。几乎所有的化疗药物均可引起肝功能损害，轻者可出现肝功能异常，患者可出现肝区不适。甚者可导致中毒性肝炎。这些都严重影响到术后身体羸弱的患者的生存。（一）纳米技术是解决这些问题的一大利器。1.例如美国一家名为“BIND生物科学”的医药公司表示，他们利用先进的纳米技术开发出一套“纳米癌症疗法”，初步试验证明其能非常有效地杀死癌细胞。虽然此前也有美国科学家宣布过类似的研究成果，这种疗法最大的优点就在于它能够“欺骗”人体免疫系统，不会对其展开攻击，从而大大提高了疗效，并能缓解患者因服药或化疗而产生的不适。2.还有高中生物课本就提到的，在磁性纳米粒子表面涂覆高分子，在外部再与蛋白相结合可以注人生物体中，这种技术目前正在实验阶段，已通过了动物临2床实验。磁性超微料子在药物学应用的基本原理是：这种载有高分子和蛋白的磁性纳米粒子作为药物的载体，然后通过静脉注射到动物体内(小鼠、白兔等)。在外加磁场下通过纳米微粒的磁性导航，使其移向病变部位，达到定向治疗的目。3.白血病是青少年中发病率较高的癌症，2007年新华网华盛顿６月５日电研究人员日前在美国临床肿瘤学会第４３届年会上报告说，他们的研究发现，急性早幼粒细胞白血病成年患者确诊之后，在标准治疗方案中添加三氧化二砷可明显延长患者存活期。目前,国内外临床上应用三氧化二砷治疗肿瘤的剂型主要是注射剂,其成分是亚砷酸.静脉给药后由于血液循环可使As2O3弥散至周围组织,这样不仅使到达肿瘤部位的药物浓度相对较低,而且还会给患者带来严重的不良反应。高等学校化学学报《三氧化二砷磁性纳米粒的表征及其在小鼠组织中的药代动力学》中，哈尔滨医科大学的人员将纳米技术与临床医学相结合,采用聚酯类生物可降解材料乳酸羟基乙酸共聚物作为载体材料,镁铁铁氧体作为磁性材料,制备了As2O3铁氧体磁性纳米粒,并考察了其磁靶向性,所制备的三氧化二砷磁性纳米粒稳定性好,靶向性强,在肿瘤治疗方面具有良好的应用前景.可能在为肿瘤的治疗提供一种更为有效的靶向制剂。4，抗坏血酸(Ascorbicacid,AA)是一种水溶性维生素,在生物学、药剂学和皮肤病学等领域具有重要意义.例如,作为抗氧化剂,它能消除促进皮肤老化的氧化剂和自由基;刺激胶原蛋白的合成,减少DNA被氧化损坏和促进DNA修复,具有抗癌作用;因其可抑制黑色素沉淀和分解黑色素,所以可作为增白剂.但抗坏血酸对气氛、水分、光、热和氧气等非常敏感,使其临床应用受到了很多限制.国际上正在尝试使用丙烯酸树脂微球及氧化锌颗粒等有机和无机材料作为其载体,以达到对其保护与缓释的目的.我国学者采用超声空化的方法制备了多孔HAP纳米球,并初步研究了这种材料对抗坏血酸的包载能力和控释能力。羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HAP)是人体硬组织的一种成分,具有良好的生物相容性、骨引导性和生物活性HAP作为药物载体的研究近几年已成为国内外研究的热点,利用不同方法将其单独或与其它材料复合制成多孔性材料。（二）关于药物载体的技术尚不成熟，我国科研工作者为之进行了不懈的探索。1，微囊是一类重要的功能性材料，在生物医药研究领域有重要用途。微囊的囊壁构建材料一般为脂类和聚合物。纳米粒子作为囊壁的微囊可将纳米粒子的物理化学性质整合到微囊中，使微囊具有独特功能。如将金属纳米粒子整合到囊壁中，用特定波长的激光辐照被细胞摄入的微囊，囊壁中的金属纳米粒子响应激光辐照并激活微囊，使封装在微囊中的活性分子释放到细胞中，实现微囊负载物的远程控制释放。其次，以纳米粒子作为囊壁可以组装粒度更小的微囊，当其粒度缩小到约100nm时，纳米级载药微囊可利用肿瘤组织的高通透性和滞留效应，使微囊所负载的小分子药物透过血管壁停留在肿瘤组织中提高药物疗效，减少药物副作。,这种新型微囊在生物转运研究领域有潜在的应用前景。用尽管以纳米粒子作为囊壁的微囊已经引起人们重视，但其自组装方法目前还处于初级阶段，并面临许多技术难点，其中包括:纳米粒子容易从囊壁中脱落、微囊粒度分布不均匀和难以制备纳米级微囊等。一种理想的微囊转运载体需满足三个条件，即囊壁要稳定、微囊粒度分布要均匀、微囊尺寸要小于100nm。2，目前，纳米粒子载体主要存在以下问题:(1)纳米粒子在体内循环过3程中易被血浆蛋白调理及单核细胞吞噬清除，体内循环时间短;(2)部分纳米载体(如:聚离子复合物)表面带电，在血液中易聚集;(3)缺乏靶向性，到达病理位置的药物量远低于需求量。为解决长循环纳米粒子的亲水壳层到达靶向部位后会大大制约其与细胞膜的作用而并延缓药物的释放的问题，壳层可脱落纳米粒子可很好地解决长循环纳米粒子壳层这一问题，提高药物的生物利用度，其设计与制备具有很大的研究意义。该文介绍了不同类型的壳层可脱落纳米粒子，包括pH敏感型、氧化还原敏壳层可脱落纳米粒子，是指在体内循环过程中有壳层保护，当到达指定部位不再需要壳层物质时，在某种刺激下，壳层可发生脱落的纳米粒子。其制备原理是通过可解离的共价键或非共价键连接核层纳米粒子和壳层保护层，在特定条件下连接键断裂实现壳层脱落。有pH敏感型，氧化还原脱落，酶解脱落等。3，通过化学方法合成得到的大部分药物载体在生物相容性、可降解性以及细胞毒性等方面还存在不尽如人意的地方，于是人们开始尝试利用生物大分子材料来制备纳米药物载体，以期实现既能满足对药物输送的要求，又能减弱对生物体毒副作用的目的。用于纳米药物载体中的生物大分子主要包含蛋白质(如明胶、白蛋白、丝蛋白等)和多糖(如壳聚糖、海藻酸钠、环糊精、果胶等)两大类。由于这些生物大分子都可以从自然界的动植物中获得，来源丰富，同时也是一种可再生的资源。它们与生物体具有良好的亲合性，排斥反应小，并且可以被生物体内的酶降解，降解后的产物对生物体的毒副作用也较小。而且这些生物大分子的分子链上往往带有羟基、氨基、羧基等大量可反应的官能团，可作为化学修饰的位点，因此将它们作为药物载体材料具有广阔的应用前景。二、检验医学中纳米技术的应用（一）细胞分离技术以往的细胞分离技术主要采用离心法，利用密度梯度原理进行分离，时间长效果差。80年代初，人们开始利用纳米微粒进行细胞分离，建立了用纳米SiO2微粒实现细胞分离的新技术。用纳米SiO2微粒进行细胞分离的基本原理和过程为是：先制备SiO2、纳米微粒，尺寸控制在15~20nm．结构一般为非晶态，再将其表面包覆单分子层，包覆层的选择主要依据所要分离的细胞种类来定，一般选择与要分离细胞有亲和作用的物质为附着层。这种SiO2纳米粒子包覆后所形成的复合体尺寸约为30nm。第二步是制取含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液，适当控制胶体溶液浓度。第三步是将纳米SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中，再通过离心技术，利用密度梯度原理。使所需要的细胞很快分离出来。1.为判断胎儿是否有遗传缺陷、过去常常采用价格昂贵且对人身人害的技术，加羊水诊断等。细胞分离技术在医疗临床诊断上有着广阔的应用前景。例如，在妇女怀孕8星期左右，其血液中就开始出现非常少量的胎儿细胞。用纳米微粒很容易将血样中极少量胎儿细胞分离出来，方法简便，价钱便宜，并能准确地判断胎儿细胞是否有遗传缺陷。美国等先进国家已采用这种技术用于临床诊断。2.癌症的早期诊断一其是医学界急待解决的难题。癌症早期发现治愈率可达65％以上。美国科学家利贝蒂指出，利用纳米微粒进行细胞分离技术很可能在肿瘤早期的血液中检查出癌细胞，实现癌症的早期诊断和治疗。同时他们还正在研究实现用纳米微粒检查血液中的心肌蛋白，以帮助治疗心脏病。（二）细胞内部的染色：4细胞内部的染色对用光学显微镜和电子显微镜研究细胞内各种组织是十分重要的一种技术。纳米微粒的出现，为建立新的染色技术提供了新的途径。最近比利时的德梅博士等用纳米技术研究成功了一种新的细胞染色技术。具体方法是将金超微粒与预先精制的抗体或单克隆抗体（高度均质性的特异性抗体）混合。选择抗体的类型是制备复合体的重要一环、不同的抗体对细胞内各种器官和骨骼组织敏感程度和亲和力有很大的差别。根据这些差别制备多种金纳米粒子-抗体的复合体．而这些复合体分别与细胞内各种器官和骨骼系统相结合，就相当于给各种组织贴上了标签。由于它们在光学显微镜和电子显镜下衬度差别很大．这就很容易分辨各种组织。1，癌胚抗原(CarcinoembryonicAntigen,CEA)是一种细胞粘附分子,执行癌细胞间及癌细胞与基质胶原之间的粘附反应,在肿瘤生长和转移中起着十分重要的作用.对血清中或者细胞上CEA进行定量检测,在恶性肿瘤的诊断、评估病变范围、预测治疗疗效、监测复发等方面发挥着重要的作用.核壳型荧光纳米粒子是一种新型的荧光标记物.由于单个纳米粒子中包裹有更多的荧光染料分子,可以显著地提高荧光分析的灵敏度并改善光稳定性.将核壳型荧光纳米粒子用做生物标记物,可进行癌细胞识别荧光成像,细菌检测,DNA检测等.2，纳米银具有优良光学特性，正被越来越多地应。采用寡核苷酸为连接分子可制备了生物素修饰的纳米银探针,并建立纳米银催化同种金属离子的特异性还原显色反应.采用蛋白质芯片为分析工具,以微量人IgG为蛋白分析模式，此检测体系可对160fg～100pg含量范围内的微量蛋白显示可视化结果，对蛋白的检出限降低了约40倍,且具有存储稳定、反应快速等优点.3，单碱基突变在医学研究和临床诊断等领域,往往需要对基因组DNA序列进行检测以获得单碱基突变的信息,从而确定疾病的易感人群以及指导临床用药纳米金颗粒由于具有良好的生物相容性,且颗粒直径小,比表面积大,因此可连接较多的生物活性分子,从而提高检测的敏感性.室温下,检测探针分别与互补序列、单碱基突变序列在缓冲液中进行杂交,再分别加入纳米金溶液以及NaCl溶液.用肉眼可以观察到纳米金溶液在两种不同杂交溶液中产生明显不同的颜色变化.这种变化可通过紫外-可见分光光度计测定纳米金溶液的紫外吸收峰值的变化来证实.此方法可望用于相关疾病的医学诊断及单碱基突变的检测.4，艾滋病，即获得性免疫缺陷综合症,英语缩写AID