納米醫學放異彩

沈羨云

納米是長度單位，1納米只有1米的十億分之一。1納米中只能排三四個原子，比單個細菌、紅血球和病毒的長度還要小得多。如果我們做成一個直徑只有1納米的小球，將其放在一個乒乓球上，從比例上看，就相當于把1個乒乓球放在地球上。有了納米技術，我們就能夠從分子水平上認識世界，改善人類的整個生命系統。納米技術自發明以來，已經在醫學的多個領域得到應用。目前，科學家通過精心設計，已成功將微納米機器人應用于生物探測、智能載藥、可控藥物釋放、血栓清除、殺死腫瘤細胞、環境污染物監測、環境治理、微納米組裝等多個領域。下面我們將介紹這些領域取得的部分進展。

納米藥物

我們平時用藥，通常采用口服或打針的方式，如果將藥物變成納米尺寸的顆粒，就可以讓皮膚來“吃”（即吸收）藥物。如果把這種納米藥物做成膏藥，貼在患處，皮膚就可以直接吸收藥物，免去針管注射的痛苦和感染等副作用。有半數以上的新藥存在難以溶解和吸收的問題，如果將藥物變成納米粉或納米粉的懸浮液，則會很容易被人體吸收。此外，一般藥物沒有靶向和定位釋放的功能，納米藥物卻可以做到此點。

納米技術與藥學相結合，將藥物與輔料制成粒徑為1～1000 nm 的載藥粒子（如納米粒、納米脂質體、納米乳）或納米藥物晶體，便衍生出了納米藥物。根據納米藥物生產方式不同，大體分為兩類：一類是將納米顆粒作為藥物載體，把藥物溶解后包裹于內，或者吸附在載體表面；另一類是將原材料加工制成的納米粒作為診療藥物。

納米人工紅細胞

眾所周知，呼吸是人最重要的生命體征之一，一旦停止呼吸，生命也將終止。人時刻都在呼吸，這是因為我們需要氧氣，尤其在運動時，呼吸顯得更為重要。當我們奔跑的時候，往往會覺得很累，這是因為劇烈運動要消耗很多氧氣，而呼吸又不能馬上補充這種消耗，因此造成身體不能得到充足的氧氣，就會覺得筋疲力盡。有沒有可能讓我們總能得到充足的氧氣呢？這種愿望是有可能實現的。科學家正試圖利用納米技術制造一種紅細胞，它不僅可以補充人在運動時的氧需求，而且在人出現意外時，它也是一顆“救命丸”。

我們知道，腦細胞缺氧6～10分鐘后即出現壞死，內臟器官缺氧后也會呈現功能衰竭。設想有一種裝備超小型納米泵的人工紅血球，攜氧量是天然紅血球的200倍以上，當人的心臟因意外突然停止跳動時，醫生可以馬上將大量的這種人工紅血球注入人體，提供生命賴以生存的氧，以維持整個肌體的正常生理活動。納米技術專家初步設計了一種納米人工紅細胞，它的原理是用一個可以雙向旋轉的渦軸的選通柵門來控制氧氣從小球中釋放，通過調節渦軸旋轉的速度和方向，使小球內的氧氣根據人體需氧的多少以一定的速率釋放到外部血液中，同時使供氧裝置在富氧的地方具有吸收氧氣的功能，而在需氧的地方具有釋放氧氣的功能。初步設計的納米人工紅細胞是一個金剛石的氧氣容器，內部有1000個大氣壓，泵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200多倍。它可以應用于貧血的局部治療以及人工呼吸、肺衰竭和體育運動需要的額外耗氧等。

納米機器人

談到機器人，你腦中浮現出什么？一定是那些巨大的機器怪獸，嫵媚的人形機器人吧。現在科學家正在研制一種小到納米級的機器人。納米機器人的概念最早是由諾貝爾物理學獎得主理查德·費曼于1959年提出的。他認為人類未來有可能建造一種分子大小的微型機器，可以把分子甚至原子作為建筑構件，在極其小的空間里構建物質。

納米機器人的研制屬于分子仿生學范疇，它根據分子水平的生物學原理設計制造，并在納米空間控制、操作。納米機器人將在各個領域發揮巨大作用，尤其在醫學領域中，它可以精準殺死癌細胞、疏通血栓、清除動脈內的脂肪沉積、清潔傷口等。下面僅舉幾個例子說明。

餓死癌細胞

惡性腫瘤是危害人類健康的一大殺手。腫瘤的血管系統與腫瘤的生長、侵襲及轉移密切相關。通過阻塞腫瘤血管的營養和氧氣輸運從而“餓死”腫瘤的治療思路目前已廣泛應用于肝癌等惡性腫瘤的物理介入治療。血液中的凝血酶是肌體凝血系統的一種關鍵酶，能夠快速、高效地誘導血栓形成。如果將凝血酶作為特定的“貨物”裝載在納米機器人的內部，通過靶向運輸并精確釋放至腫瘤血管，誘導凝血產生血栓，就可以通過栓塞腫瘤達到高效抑制腫瘤生長和轉移的目的。

根據這種看似“異想天開”的設想，中國納米科學中心團隊研制了一種DNA納米機器人，用于運輸凝血酶進行腫瘤治療。其工作原理是利用DNA折紙術構建智能化的分子機器，將“貨物”——凝血酶包裹在分子機器的內部空腔，使其處于一種非活性狀態；分子機器兩端裝載“雷達”——核酸適配體，提供靶向識別和定位功能。當DNA納米機器人到達腫瘤血管時，納米機器上的“鎖”識別特異標志物發生結構變化，使得“鎖”從閉合狀態變為開啟狀態，整個納米機器由管狀結構打開變為平面結構，暴露出內部裝載的“貨物”，進而實現誘導栓塞的功能。中國納米科學中心團隊在細胞和活體水平分別進行了驗證，結果顯示這種DNA納米機器人可以實現凝血酶在活體內的精準運輸和定點栓塞，對于很多癌癥都有良好的治療效果。

血栓的克星

人體的血液就像水，血管就像水管，血栓就像塞子，塞子會隨著水到處游走，當管子直徑小于塞子時，塞子就通不過，將會發生堵塞。如果塞子將水管堵住了，那么水將過不去；如果血液中出現血栓，血液就無法流遍全身，將會發生生命危險。血栓雖小，但危害卻很大。用納米機器人清除血栓是一種好方法。

科學家研究出一種用模擬野生蜂群的納米機器人消除血栓的方法，這一突破性方法邁出了血栓治療的第一步。科學家通過振蕩磁場創造了具有高重組性的帶狀“蜂群”，該“蜂群”由上千萬個磁性納米粒子組成，每個納米粒子的長度不超過1微米，不到血紅細胞直徑的五分之一。當程序員對磁場進行調節的時候，納米機器人所組成的“超微型蜂群”能夠產生擴張、收縮、分裂、合并等結構變化，并且精確度非常高。外科醫生可以通過操控納米機器人來治療存在于密集復雜血管之間的血栓，并將抗凝血藥物送至細胞。這種納米機器人為治療血栓提供了新思路。

藥物運輸員

將藥物準確地運送到人體需要的部位，是提高藥物治療效果、降低副作用的關鍵因素。傳統的藥物運輸載體主要依賴系統的循環，缺少定點運輸、組織滲透等驅動導航能力，而納米機器人卻能克服這些缺點，成為藥物運輸的理想載體。納米機器人可以實現藥物的快速、精準釋放，并提高藥物療效、減輕副作用。

以色列科學家最近研制出一種微型納米機器人，它可以在人體內“巡邏”，鎖定病灶后可以自動釋放所攜帶的藥物。當你感冒時，醫生不用給你打針開藥，而是將納米機器人植入你的體內。這種機器人可以在人體內探測感冒病毒的源頭，并到達病毒所在處，直接釋放藥物殺滅病毒。

瑞士科學家受細菌啟發，研發出一種可以在人體體液中游動的柔性機器人，它可把救命藥物送到人體內難以到達的地方。這種機器人具有生物相容性，能夠根據需要改變形狀，并且可以通過狹窄的血管。這種機器人采用的是水凝膠納米復合材料。研究人員在這種材料中加入磁性納米顆粒，以感應周圍電場的變化。這些機器人被“編程”后，根據指令或提前變形，或利用流體流動自行導航通過腔體。

納米蜘蛛機器人

美國哥倫比亞大學研究人員成功研制出一種由DNA分子構成的納米蜘蛛機器人，它能夠跟隨DNA的運行軌跡自由地行走、轉向以及停止。這種納米蜘蛛機器人的直徑僅有4納米，不到人類頭發直徑的十萬分之一。雖然以前研制出的DNA分子機器人也具有行走功能，但不會超過“3步”，而納米蜘蛛機器人卻能行走100納米的距離，相當于行走“50步”。

納米診斷和檢測技術

在醫療領域，“早發現，早治療”已經成為一個醫學常識，但傳統檢測技術的檢測精度和準確度都難以達到“早發現”的要求。因此，在檢測和診斷疾病方面，科學家將目光轉向納米技術。

納米粒子在疾病的診斷和治療方面均具有獨特的作用。納米粒子不僅可以在體內特定區域進行造影從而對局部環境信息進行反饋，還能作為診斷設備的關鍵組成部分，在體外對血液等樣品進行快速檢測。醫生利用納米技術可以減少疾病檢測的時間和成本，挽救更多的生命。

納米成像技術

納米材料在生物醫學成像應用中表現出許多優良的物理特性。在納米成像領域， 小型超順磁性氧化鐵納米顆粒已被廣泛用作磁共振成像造影劑，進行癌癥成像檢測。與傳統的診斷方法相比， 納米成像技術甚至可以提前幾年發現一些癌細胞。

納米探針

納米探針是一種探測單個活細胞的納米傳感器，探頭尺寸僅為納米量級。醫生根據不同的診斷和檢測目的，將納米探針植入人體后，或定位于體內的不同部位，或讓納米探針隨血液在體內運行，納米探針則可隨時將體內的不同部位或血液內的各種生物信息反饋到體外記錄裝置。此技術將來有望成為醫學界最常用的手段。

納米細胞檢疫器

納米細胞檢疫器又稱納米秤，能稱出質量為10-9克的物質，即相當于1個病毒的重量。納米細胞檢疫器可定點用于人體口腔、咽喉、食管、氣管等部位的檢疫。

納米傳感器

納米傳感器將其細小的尖端插入活細胞內，不僅不會干擾細胞的正常生理過程，還可以獲取活細胞內的動態化學信息及整體的功能狀態。中國科學院理化技術研究所唐芳瓊研究組在納米增強的酶生物傳感器研究方面取得了重要進展。此研究成果是采用四氧化三鐵納米顆粒構建高靈敏度葡萄糖生物傳感器。研究表明，該生物傳感器具有良好的抗干擾性，在實際血清的檢測中表現出很好的檢測效果。

納米技術需要攻克哪些難關

納米技術在醫療等領域的革命才剛剛開始，其發展也不如想象中的一帆風順，主要有兩個問題。第一個問題是納米材料的安全性問題。納米材料與其他材料相比，具有許多不同的物理、化學和生物學特性，人們對其潛在毒性、次級效應、生物降解能力也存在質疑。納米粒子在完成藥物遞送或者組織成像后，其在體內的長期滯留過程目前還未被深入研究。這些粒子可能被降解或者被腎清除出體外，也可能聚集在個別器官與細胞發生作用。如何評價納米醫藥的安全性和毒性，如何優化納米技術使這些醫藥材料適合于人體生物系統，以及如何避免或降低可能出現的毒副反應，成為擺在人們面前的一個重要問題。第二個問題是工藝流程也存在諸多瓶頸。與生物工程和化學合成不同， 生物納米顆粒的制備是物理過程， 顆粒中材料分子與活性物分子間有無數的排列組合方式， 而制備過程中無法用簡單的方法進行監測。

綜上所述，和其他前沿學科一樣，納米醫學也充滿了機遇和挑戰。但我們完全可以相信，在不遠的將來，隨著人類對生物醫學研究的深入以及生物安全性等問題的解決，納米技術將成為醫學研究和臨床治療中的一個重要手段，為許多重大疾病患者帶來福音。