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纳米“神器”出鞘,人类大病攻克!
2015-09-24| 文章来源:中国青年报| 【

  原标题:纳米“暗器”出手,人类大病接招!

 

  陈志和在他的实验室里

  如果你看过武侠小说,那么一定会发现,武器威力有时与个头大小成反比。

  比如聂隐娘手里的羊角匕首,仅有三寸长,却能分分钟取人首级。还有古墓派暗器冰魄银针,曾令无数强人倒下。

  在多伦多大学教授陈志和眼中,那细如毛发的银针压根儿算不上小巧。

  近日,在“2015全球创新者大会暨APEC青年创业家峰会”现场,这位生物材料与生物医学工程专家向全场观众介绍了他的武器——纳米技术。

  在纳米尺寸范围内,他通过直接操纵单个原子、分子来组织和创造具有特定功能的新物质。当物质颗粒小到纳米量级之后,这种物质就可被称为纳米材料,一纳米只有一根头发丝直径的八万分之一。

  陈志和要攻击的对手,是威胁人类生命安全的“全民公敌”,包括癌症、艾滋病等重大疾病。

  如果这些行踪难觅的“恶棍”能够显形,它们很有可能是庞然大物,弹指一挥间,就能把彪形大汉撂倒。

  陈志和介绍,面对如此强敌,小小的纳米武器可以探测它们的踪迹、进行追捕,最后出手消灭。

  这一切,都会在我们肉眼看不见的微观世界里悄悄地进行。

  在高倍显微镜才能观察到的细胞和分子面前,纳米微粒依然足够精巧,就像一片薄薄的小手术刀 

  “生病是从分子阶段开始,一级一级往上演变的。”陈志和首先将他的“敌人”庖丁解牛地分析了一番。

  这是创新大会“人类的健康与‘永生’”主题单元,多名生物、制药学界业界的专家学者受邀前来与全场观众分享前沿成果。

  致力于纳米生物医疗研究的陈志和也是嘉宾之一。

  站在覆盖着深灰色地毯的讲台中央,身着浅色格子衬衫的他看起来十分放松。

  在平日更多时间里,他会套着白色实验服,戴着防护手套,埋头扎进实验室,通过反复验证,在显微镜下排兵布阵,处理人眼不可见的微小粒子。

  那方寸之地便是他运用纳米材料对战疾病的战场。

  据他介绍,人体细胞的组成部分主要是生物大分子,包括蛋白质、核酸、碳氢化合物等,这些分子是构成生命的基础物质。总体来说,人类的健康就在于保持这些不同分子的稳定和平衡。

  一旦受到化学入侵或者病毒、细菌影响,这些小的物质就会进入人的身体机制,改变基因、蛋白质等分子,从而改变细胞,改变器官,最终导致疾病发生。

  在知己知彼之后,纳米武器的优势显露出来。

  细胞具有微米(1000纳米)量级的空间尺度,生物大分子具有纳米量级的空间尺度,层次处于在它们之间的亚细胞结构则具有几十到几百纳米量级的空间尺度。即使在通过高倍显微镜才能观察到的细胞和分子面前,纳米微粒依然足够精巧,就像一片薄薄的小手术刀,可以围绕它们灵活作业。

  就在半个月前,国家纳米科学中心副主任赵宇亮曾在第六届中国国际纳米科学技术会议上表示,纳米生物技术和纳米药物是最近十年来纳米技术发展最快的领域。

  他说,由于生命过程本身是在纳米尺度上发生的一系列生物化学或物理化学过程,如果从纳米尺度上对其进行调控,对于重大疾病预防和治疗将产生深远的影响。

  当癌细胞、病变的DNA、艾滋病毒等病原目标分子经过时,会被相应的量子点“一把揪住” 

  面向台下的观众,陈志和展示了他最新的发明成果——与智能手机连接的便携式疾病诊断设备。

  这部“新装备”像一个套在手机上的长方体万花筒,一端贴着手机摄像头,另一端装着载物片。

  只需从指尖挤一滴血或者吐一小口唾液放在载物片上,加入条形板,等待1个小时,手机就会向你提供艾滋病、乙型肝炎、丙型肝炎、疟疾、梅毒等感染性疾病的诊断结果。

  这要归功于一种特别的纳米粒子——量子点。它由半导体材料制成,稳定直径在2~20纳米,一般为球形或类球形,在不同的大小和形状之下会显示出不同的颜色,使用单一光源就可以监控不同的颗粒。

  在条形板上,陈志和给不同颜色的量子点连接上不同的抗体,当癌细胞、病变的DNA、艾滋病毒等病原目标分子经过时,会被相应的量子点“一把揪住”。

  在人们等待的时间里,量子点正拉着抗体搭档默默地等候猎物,一旦捕获,就会改换颜色释放讯号。

  通过监控量子点颜色改变的情况,这一手机设备可以同时检测多种疾病,并作出分析报告。

  “在检测之外,你还可以存储信息。”陈志和说。如果这一价格低廉、携带方便的诊断工具得到了推广,便可以建立起全球的检测数据库,把大家的基因、蛋白质、生病或者健康的数据都收集进来。在前往一个地方之前,人们通过查询数据库就能判断目的地是否存在感染传染病的危险。

  “我算是行业内的老人了。”陈志和自信地告诉中国青年报记者。

  1998年,在印第安纳大学读博士期间,他与导师在《科学》杂志上发表了有关量子点作为生物探针的论文,首次将量子点作为生物荧光标记,并且应用于活细胞体系。

  为了研发这么一个“小而精”的设备,陈志和的实验室已经努力了10年。目前,这一手机装置正在非洲进行大量测试,临床试验有效率高达90%。

  除了量子点手机诊断设备,很多用于体外诊断的纳米颗粒产品已经上市,比如胶体金试纸条、免疫磁珠试剂盒等。

  它们往往是利用纳米颗粒一些易于观测的特性。例如,金纳米颗粒在所处的环境PH值发生改变的时候,粒子的聚集状态就会发生改变,当它们从均一的分散变成聚团状态,在宏观上会呈现出从红到蓝的颜色变化。

  “这一领域的研究已经日趋成熟了。”陈志和在接受采访时乐观地展望,“在未来的5~10年内,你就会看到基于纳米技术的诊断设备在医院和家庭中广泛使用。”

  这是一场悄无声息的行军,纳米颗粒们穿着阿霉素等抗癌药物的“战衣”,或者揣上装满药物的包裹,从血管进入机体 

  除了应用于疾病诊断,纳米技术在对抗癌症方面也被寄予厚望。

  世界卫生组织在《全球癌症报告2014》中指出,癌症是导致人类死亡的一个主要原因,目前每年在全球夺去700多万人的生命,这一数字还在快速上升。然而,就传统的治疗手段来看,无论是外科手术还是放疗与化疗,都会严重破坏机体的免疫力。

  陈志和介绍,学界正在研究将纳米颗粒用作载体,把药物准确输送到病变器官。这样一来,很少的药物就可以达到很高的治疗效率,并且不会攻击健康的细胞,有效避免副作用。

  这是一场悄无声息的行军,纳米颗粒们穿着阿霉素等抗癌药物的“战衣”,或者揣上装满药物的包裹,从血管进入机体。

  由于肿瘤组织血管丰富、“地形”复杂,这种特殊的血管环境特别有利于纳米尺寸级别的物质发生渗透和滞留。

  在最理想的情况下,这些纳米小战士将会顺利抵达肿瘤靶点,释放药物,一招制敌,绝不伤及无辜。

  “这些都只能说是大家的目标,现实中还没有达到这样好的技术。” 国家纳米科学中心生物医学效应和纳米安全重点实验室副主任梁兴杰告诉中国青年报记者。这一看似完美的作战计划,在实施的道路上仍然困难重重。

  在他看来,目前研究面临的阻碍之一在于材料。很多理念在实验室环境下可以实现,但是在把实验室里发现的现象和规律转化到生物和医学应用的过程中,会遇到不少严格的限制。

  比如,用于人体的材料和药物,要经过层层的环节把控,从研发到应用于临床需要很长的周期。对金属纳米颗粒的研究,眼下都是在动物体上寻找“苗头”,然后进行大量的数据分析,大部分连临床前的试验都还没有完成。

  此外,纳米颗粒的肿瘤靶向性并不能保证百发百中,只能说比传统的非纳米技术在肿瘤部位聚集得要多。

  因此,该领域的研究热点开始集中于“主动靶向”,就是在纳米材料表面通过多种化学方法标记上能识别肿瘤的靶向性分子,使纳米药物能够尽量多地只结合肿瘤细胞。

  让陈志和最为担忧的则是人体的排异反应。

  “我们的身体有一个伟大的防御系统。”他说,“当你将纳米粒子注入人体内的目标肿瘤细胞时,身体会保护自己,并试图摆脱这些外来纳米粒子。因此,它们中的大多数没有找到癌细胞。”

  他正在带领实验室研究让纳米粒子“以智取胜”的办法。这可能涉及到改变其大小、形状和化学属性。为此,他们正在全力了解身体防御系统是如何对纳米颗粒进行攻击、改变和相互作用的。

  要实现用纳米武器治疗癌症的目标,似乎还有很长一段距离,科学家们却都斗志满满。

  “10年前我们根本想不到有iPhone6,10年之后很容易就变成了现实。”梁兴杰表示,“从科学的角度来说,要敢想,才有可能做得出来。”

  这场2015全球创新者大会在北京一座由上世纪90年代粮油老仓库改造而来的新工业园区举行。

  就在距离由大库房改建的主会场不远处,废弃的升降机、传送带和烘干塔安静地在草坪上沉睡,斑驳的红砖墙上依然油漆着过去的标语。

  大库房内光影斑驳,十几米宽的LED高清大屏幕上正滚动呈现着未来科技的图景:

  老人和孩子一边在车中休息玩耍一边由完全自动驾驶的汽车安全地载往目的地;开锁和转账只需向摄像头看一眼,就可以被虹膜识别技术精准地确认身份;饿了动动食指,3D打印的美味佳肴端上饭桌;远途旅行时坐进一个“胶囊”,然后像子弹一样通过真空管道被飞速发射出去……

  站在这幅图景前,陈志和笃定地说:“50年内,更加精细化的纳米颗粒靶向治疗产品一定会进入市场。”

 
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