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纳米技术在医学中:巨大的潜力,但有什么风险?

健康 89xy 2个月前 (11-22) 17次浏览

纳米技术
,即在原子和分子尺度上操纵物质,以创造具有显著变化和新特性的材料,是一个快速扩展的研究领域,在从医疗保健到建筑和电子等许多领域都具有巨大潜力。在医学方面,它有望彻底改变药物输送、基因治疗、诊断以及许多研究、开发和临床应用领域。

本文并不试图涵盖整个领域,但通过一些例子,提供了一些关于纳米技术如何在研究实验室和临床上改变医学的潜力的见解,同时触及了它提出的一些挑战和关切。

什么是纳米技术?

前缀“nano”源于古希腊语中“侏儒”的意思。在科学中,它的意思是某物的十亿分之一(10到负9),因此纳米是一米的十亿分之一,或0.000000001米。一纳米大约有三到五个原子宽,比人类头发的厚度小40000倍。病毒的大小通常为100纳米。

在纳米尺度上操纵医学结构和性质的能力就像拥有一个亚显微实验室工作台,在上面你可以使用一系列微型工具、机器人和试管来处理细胞成分、病毒或DNA片段。

纳米技术在医学中:巨大的潜力,但有什么风险?

操纵DNA

涉及操纵单个基因或影响其表达的分子途径的治疗越来越多地被研究作为治疗疾病的一种选择。这一领域一个非常受欢迎的目标是根据个体患者的基因组成量身定制治疗的能力。

这就需要工具来帮助科学家实验和开发这种治疗方法。

例如,想象一下,能够像一根意大利面条一样伸展出一段DNA,这样你就可以对它进行检查或操作,或者构建能够“行走”并在细胞组件内部进行修复的纳米机器人。纳米技术正在使这一科学梦想更加接近现实。

例如,澳大利亚国立大学的科学家已经成功地将包被的乳胶珠附着在修饰的DNA末端,然后使用包含聚焦光束的“光学陷阱”将珠固定在适当的位置,他们拉伸DNA链以研究特定结合蛋白的相互作用。

纳米机器人和纳米星

与此同时,纽约大学(NYU)的化学家用DNA片段制造了一个纳米机器人,它可以用两条腿走路,只有10纳米长。在2004年发表在《纳米快报》(Nano Letters)杂志上的一篇论文中,他们描述了他们的“纳米行走器”是如何在附着在脚末端的补骨脂素分子的帮助下迈出第一步的:向前两步,向后两步。

其中一名研究人员奈德·塞曼(Ned Seeman)说,他设想有可能创建一条分子规模的生产线,在这条生产线上,你可以移动分子,直到到达正确的位置,纳米机器人在上面做一点化学反应,就像汽车装配线上的“点焊”。塞曼在NYU的实验室也在寻求利用DNA纳米技术制造生物芯片计算机,并找出生物分子是如何结晶的,这是一个目前充满挑战的领域。

Seeman和他的同事们正在做的工作是“仿生”的一个很好的例子,利用纳米技术,他们可以模仿自然界中的一些生物过程,例如DNA的行为,来设计新的方法,甚至可能改进它们。

基于脱氧核糖核酸的纳米机器人也正在被创造出来以癌细胞为目标。例如,美国哈佛医学院的研究人员最近在《科学》杂志上报道了他们如何用DNA制作一个“折纸纳米机器人”来运输分子载荷。桶形纳米机器人可以携带含有指令的分子,这些指令使细胞以特定的方式运行。在他们的研究中,该团队成功地展示了它是如何在白血病和淋巴瘤细胞中传递引发细胞自杀的分子的。

由其他材料制成的纳米机器人也在开发中。例如,金是西北大学的科学家用来制造“纳米星”的材料,这是一种简单、特殊的星形纳米粒子,可以直接将药物输送到癌细胞的细胞核中。在最近发表在《ACS Nano
杂志上的一篇论文中,他们描述了载有药物的纳米星如何像微小的搭便车者一样,在被人类宫颈癌和卵巢癌细胞表面过度表达的蛋白质吸引后,将它们的有效载荷直接沉积在这些细胞的细胞核中。

研究人员发现,给他们的纳米机器人一个星形有助于克服使用纳米粒子输送药物的挑战之一:如何精确地释放药物。他们说,这种形状有助于将用于释放药物的光脉冲精确地集中在恒星的点上。

原位制造药物的纳米工厂

科学家发现基于蛋白质的药物非常有用,因为它们可以被编程为向细胞传递特定信号。但是这类药物常规输送的问题是,在它们到达目的地之前,人体会分解掉大部分药物。

但是如果有可能在目标位置就地
生产这种药物呢?在最近一期的《纳米快报》中,美国麻省理工学院的研究人员展示了如何做到这一点。在他们的原理证明研究中,他们证明了自我组装“纳米工厂”的可行性,这种工厂可以根据需要在目标位置制造蛋白质化合物。到目前为止,他们已经在老鼠身上测试了这个想法,通过创造纳米粒子来产生绿色荧光蛋白或暴露在紫外光下的荧光素酶。

麻省理工学院的团队在试图找到一种治疗转移性肿瘤的方法时提出了这个想法,转移性肿瘤是由从原始部位迁移到身体其他部位的癌细胞生长而来的。超过90%的癌症死亡是由于转移癌。他们现在正在研究能够合成潜在癌症药物的纳米粒子,以及其他打开它们的方法。

纳米技术在医学中:巨大的潜力,但有什么风险?

纳米纤维

纳米纤维是直径小于1000纳米的纤维。医疗应用包括用于伤口敷料和外科用纺织品的特殊材料、用于植入物的材料、组织工程和人造器官部件。

由碳制成的纳米纤维也有望用于医学成像和精确的科学测量工具。但是还有巨大的挑战需要克服,其中一个主要的挑战是如何使它们始终保持正确的大小。从历史上看,这既昂贵又耗时。

但是去年,北卡罗来纳州立大学的研究人员揭示了他们是如何开发出一种制造特定尺寸碳纳米纤维的新方法的。他们在2011年3月的《美国化学学会应用材料与界面》(ACS Applied Materials & Interfaces
中写道,他们描述了如何通过使用涂有配体外壳的镍纳米粒子来生长直径均匀的碳纳米纤维,配体是具有直接与金属结合的功能部分的有机小分子。

镍纳米粒子特别有趣,因为在高温下,它们有助于生长碳纳米纤维。研究人员还发现,使用这些纳米粒子还有另一个好处,他们可以定义纳米纤维在哪里生长,通过纳米粒子的正确放置,他们可以以所需的特定模式生长纳米纤维:这是有用的纳米材料的一个重要特征。

铅是另一种被发现用作纳米纤维的物质,以至于正在圣路易斯华盛顿大学医学院学习的未来神经外科医生马修·马塞万(Matthew MacEwan)创办了自己的纳米医疗公司,旨在彻底改变世界各地手术室使用的手术网。

铅产品是一种由单股纳米纤维组成的合成聚合物,被开发用于修复大脑和脊髓损伤,但马塞万认为它也可以用于修复疝气、瘘管和其他损伤。

目前,用于修复覆盖大脑和脊髓的保护膜的手术网由厚而硬的材料制成,这很难使用。马塞万说,铅纳米纤维网更薄、更柔韧,更有可能与人体自身组织结合。纳米纤维网的每一根线都比单个细胞的直径小几千倍。这个想法是使用纳米纤维材料不仅使外科医生更容易进行手术,而且使患者术后并发症更少,因为它随着时间的推移会自然分解。

纽约大学理工学院(NYU-保利)的研究人员最近展示了一种用蛋白质制造纳米纤维的新方法。研究人员最近在《高级功能材料》(Advanced Functional Materials)杂志上写道,他们说他们几乎是偶然发现了他们的发现:他们在研究某些源自软骨的圆柱形蛋白质时,注意到在高浓度下,一些蛋白质自发地聚集在一起,自组装成纳米纤维。

他们进行了进一步的实验,例如添加识别金属的氨基酸和不同的金属,发现它们可以控制纤维的形成,改变其形状,以及如何与小分子结合。例如,添加镍可以将纤维转化成团状的垫子,这可以用来触发附着的药物分子的释放。

研究人员希望这种新方法将大大改善治疗癌症、心脏病和阿尔茨海默病的药物的输送。他们还可以看到在人体组织、骨骼和软骨再生方面的应用,甚至可以开发更小、更强大的微处理器,用于计算机和消费电子产品。

纳米技术在医学中:巨大的潜力,但有什么风险?

显示纳米粒子或其他癌症药物如何用于治疗癌症的示意图。这个例子是为《纳米科学和纳米技术开源手册》而做的

纳米材料的未来和关注点是什么?

近年来,显示纳米技术和纳米材料医学应用多样性的研究数量激增。在这篇文章中,我们只看到了这个广阔领域的一小部分。然而,在整个范围内,存在相当大的挑战,其中最大的挑战似乎是如何扩大材料和工具的生产,以及如何降低成本和时间表。

但另一个挑战是如何快速获得公众对这种快速发展的技术是安全的信心。到目前为止,还不清楚是否正在这样做。

有人认为对纳米技术的担忧可能被过分夸大了。他们指出,仅仅因为一种材料是纳米尺寸的,并不意味着它是危险的,事实上纳米颗粒自地球诞生以来就一直存在,例如,自然存在于火山灰和海水中。作为人类活动的副产品,它们自石器时代以来就存在于烟尘中。

在调查纳米材料安全性的尝试中,美国国家癌症研究所(National Cancer Institute)表示,环境中自然存在如此多的纳米粒子,以至于它们“通常比正在评估的工程粒子高出几个数量级”。他们指出,在许多方面,“大多数工程纳米颗粒的毒性远低于家庭清洁产品、家庭宠物使用的杀虫剂和非处方头皮屑治疗剂”,例如,在癌症治疗中用作化疗药物的载体时,它们的毒性远低于它们携带的药物。

也许更多的是在食品行业,我们看到了纳米材料在商业层面上的一些最大的扩展。尽管含有纳米材料的食品数量仍然很少,但随着技术的发展,未来几年这一数量将会发生变化。纳米材料已经被用来降低脂肪和糖的含量,而不会改变味道,或者用来改善包装以保持食物更长时间的新鲜,或者告诉消费者食物是否变质。它们还被用来提高营养物质的生物利用率(例如在食物补充剂中)。

但是,也有相关方强调,尽管研究速度加快,纳米材料市场扩大,但在发现其毒理学后果方面做得似乎还不够。

这是英国议会上院科学技术委员会的观点,该委员会在最近一份关于纳米技术和食品的报告中,对纳米材料和人类健康,特别是摄入纳米材料带来的风险提出了一些担忧。

例如,委员会关注的一个领域是纳米粒子的大小和非凡的流动性:如果摄入,它们足够小,可以穿透肠道内壁的细胞膜,有可能进入大脑和身体的其他部分,甚至细胞核内部。

另一个是纳米材料的溶解性和持久性。例如,不溶性纳米粒子会发生什么?如果不能被分解消化或降解,会不会有堆积损伤器官的危险?由无机金属氧化物和金属组成的纳米材料被认为是最有可能在这一领域构成风险的材料。

此外,由于其高表面积与质量比,纳米粒子具有高反应性,例如,可能会引发未知的化学反应,或通过与毒素结合,使其进入细胞,否则他们将无法进入。

例如,纳米材料具有大的表面积、反应性和电荷,为物理力导致的“粒子聚集”和化学力导致的“粒子凝聚”创造了条件,因此单个纳米粒子聚集在一起形成更大的粒子。这不仅可能导致大得多的颗粒,例如在肠道和细胞内,还可能导致纳米颗粒团的分解,这可能从根本上改变它们的物理化学性质和化学反应性。

“这种可逆现象增加了理解纳米材料的行为和毒理学的难度,”该委员会表示,其总体结论是,政府和研究委员会都没有给予纳米技术的安全性足够的重视,尤其是“考虑到开发含纳米材料产品的时间表”。

他们建议,需要更多的研究来“确保监管机构能够在产品被允许上市之前有效地评估产品的安全性”。

因此,无论是实际的还是感知的,纳米技术对人类健康构成的潜在风险似乎都必须被调查,并被视为被调查。正如NCI建议的那样,大多数纳米材料可能被证明是无害的。

但是,当一项技术快速发展时,关于其安全性的知识和交流需要跟上步伐,以使其受益,特别是如果它也是为了确保公众信任的话。我们只需要看看转基因食品发生了什么,在某种程度上还在发生什么,就可以看出这是如何严重出错的。

由凯瑟琳·帕多克博士撰写


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