纳米医学

大多数人都有生病、吃药、打针的经历，医学就是研究疾病，治病救人的科学。那么纳米医学又是什么呢？我们知道人体是由多种器官组成的，如：大脑、心脏，肝，脾，胃，肠，肺，骨骼，肌肉和皮肤；器官又是由各种细胞组成的，细胞是器官的组织单元，细胞的组合作用才显示出器官的功能。那么细胞又是由什么组成的呢？按现在的认识，细胞的主要成份是各种各样的蛋白质、核酸、脂类和其它生物分子，可以统称生物分子，它的种类在数十万种。生物分子是构成人体的基本成分，它们各自具有独特的生物活性的，正是它们不同的生物活性决定了它们在人体内的分工和作用。由于人体是由分子构成的，所有的疾病包括衰老本身也可归因于人体内分子的变化。当人体的分子机器，如合成蛋白质的核糖体，DNA复制所需的酶等，出现故障或工作失常时，就会导致细胞死亡或异常。从分子的微观角度来看，目前的医疗技术尚无法达到分子修复的水平。而纳米医学则是在分子水平上，利用分子工具和人体的分子知识，所从事的诊断、医疗、预防疾病、防止外伤、止痛、保健和改善健康状况等科学技术，广义地讲都属于纳米医学的范畴。换句话讲，人们将从分子水平上认识自己，创造并利用纳米装置和纳米结构来防病治病，改善人类的整个生命系统。首先需要认识生命的分子基础，然后从科学认识发展到工程技术，设计制造大量的具有令人难以置信的奇特功效的纳米装置，这些微小的纳米装置的几何尺度仅有头发丝的千分之一左右，是由一个个分子装配起来的，能够发挥类似于组织和器官的功能，并且更准确和更有效地发挥作用。他们可以在人体的各处畅游，甚至出入细胞，在人体的微观世界里完成特殊使命。例如：修复畸变的基因、扼杀刚刚萌芽的癌细胞、捕捉侵入人体的细菌和病毒，并在它们致病前就消灭它们；探测机体内化学或生物化学成分的变化，适时地释放药物和人体所需的微量物质，及时改善人的健康状况。最终实现纳米医学，使人类拥有持续的健康。未来的纳米医学将是强大的，它又会是令人惊讶得小，因为在其中所发挥作用的药物和医疗装置都是肉眼所无法看到的。但是它的功能会令世人惊叹。
　　需要说明，不要马上跑到大夫那儿去要纳米处方。上面所谈的纳米医学景观尚处于设计和萌芽阶段，还有很多的未知需要去探索，例如：这些纳米装置该由什么制成？他们是否可以被人体接受？并发挥所预期的作用？科学家们正在全力以赴地把纳米医学的科学想法变成医学现实。终有一天，医药柜越小，效力越大。
　　一定有人会问：纳米医学是不是科学幻想？它离我们到底有多远？还要等多久才能看到医学实现？事实上，它已经开始步入现实，并获得蓬勃发展。

　　(1) 智能药物
　　这是纳米医学中的一个非常活跃的领域，适时准确地释放药物是它的基本功能之一。科学家正在为糖尿病人研制超小型的，模仿健康人体内的葡萄糖检测系统。它能够被植入皮下，监测血糖水平，在必要的时候释放出胰岛素，使病人体内的血糖和胰岛素含量总是处于正常状态。最近，美国麻省理工学院的研究者做出了微型药房的雏形：一种具有上千个小药库的微型芯片，每一个小药库里可以容纳25纳升的任何药物，例如止痛剂或抗生素等。它的研究者之一Robert Langer说，目前这个芯片的尺寸还相当于一个小硬币，可以把它做得更小，装上一个"智能化"的传感器，使它可以适时和适量地释放药物。能否在形成致命的肿瘤之前，早期杀灭癌细胞？美国密西根大学的James R. Baker Jr.博士正在设计一种纳米"智能炸弹"，它可以识别出癌细胞的化学特征(chemical "signatures")。这种"智能炸弹"很小，仅有20纳米左右，能够进入并摧毁单个的癌细胞。此装置的研制刚刚开始，而初步的人体实验至少要五年以后才能进行。

　　(2) 人工红血球

　　纳米医学不仅具有消除体内坏因素的功能，而且还有增强人体功能的能力。我们知道，脑细胞缺氧6至10分钟即出现坏死，内脏器官缺氧后也会呈现衰竭。设想一种装备超小型纳米泵的人造红血球，携氧量是天然红血球的200倍以上。当人的心脏因意外，突然停止跳动的时候，医生可以马上将大量的人造红血球注入人体，随即提供生命赖以生存的氧，以维持整个机体的正常生理活动。美国的纳米技术专家Robert Freitas初步提出的人造红血球(respirocyte)的设计,已成为纳米技术的标志性结果。这个血球是个一微米大小的金刚石的氧气容器，内部有1000个大气压，泵浦动力来自血清葡萄糖。它输送氧的能力是同等体积天然红细胞的236倍，并维持生物炭活性。 它可以应用于贫血症的局部治疗、人工呼吸、肺功能丧失和体育运动需要的额外耗氧等。它的基本设计和结构功能，以及与生物体的相容性等已有专著详细论述。在此仅对其结构功能做简单介绍。

　　它的腔体外壳是与生物体相容的金刚石，腔内储氧，开口处是一个可以从腔内向外传递氧的转子，随其旋转，将氧分子输入血液。

　　(3)纳米药物输运
　　纳米微粒药物输送技术也是重要发展方向之一。按目前的认识，有半数以上的新药存在溶解和吸收的问题。由于药物颗粒缩小时，药物与胃肠道液体的有效接触面积将增加，所以药物的溶解速率随药物颗粒尺度的缩小而提高。药物的吸收又受其溶解率的限制，因此，缩小药物的颗粒尺度成为提高药物利用率的可行方法。 纳米晶体技术可将药物颗粒转变成稳定的纳米粒子，同时提高溶解性，以提高难溶性药物的药效率。粉碎过程会使粒子间的相互作用力增加，为了避免纳米颗粒在粉碎过程中聚合，加工中，不溶的药物是被悬浮在含一般认为安全的稳定剂和赋形剂的悬浮液中。深入研究的制粉技术已经能够将药物缩小到400纳米以下。 同时，这些赋形剂在胃肠道中起表面活性剂的作用，也提高了纳米药物颗粒的溶解率。一旦，不溶性药物转变成稳定的纳米颗粒，就适合于口服或者注射了。
　　纳米医学将给医学界，诸如癌症、糖尿病和老年性痴呆等疾病的治疗带来变革，已经获得越来越多的认同。利用纳米技术能够把新型基因材料输送到已经存在的DNA里，而不会引起任何免疫反应。树形聚合物(dendrimers) 就是提供此类输送的良好候选材料。因为，它是非生物材料，不会诱发病人的免疫反应，没有形成排异反应的危险；所以，可以作为药物的纳米载体，携带药物分子进入人体的血液循环，使药物在无免疫排斥的条件下，发挥治病的效果。这种技术用于糖尿病和癌症治疗是很有希望的。

　　(4) 捕获病毒的纳米陷阱
　　密西根大学的Donald Tomalia等已经用树形聚合物发展了能够捕获病毒的纳米陷阱。体外实验表明纳米陷阱能够在流感病毒感染细胞之前就捕获它们，同样的方法期望用于捕获类似爱滋病病毒等更复杂的病毒。此纳米陷阱使用的是超小分子，此分子能够在病毒进入细胞致病前即与病毒结合，使病毒丧失致病的能力。
　　通俗地讲，人体细胞表面装备着含硅铝酸成分的"锁"，只准许持"钥匙"者进入。不幸的是，病毒竟然有硅铝酸受体"钥匙"。Tomalia的方法是把能够与病毒结合的硅铝酸位点覆盖在陷阱细胞(glycodendrimers)表面。当病毒结合到陷阱细胞表面，就无法再感染人体细胞了。陷阱细胞由外壳、内腔和核三部分组成。内腔可充填药物分子；将来有可能装上化疗药物，直接送到肿瘤上。陷阱细胞能够繁殖，生成不同的后代，个子较大的后代可能携带更多的药物。尽管原因尚不明确，所观察的特点是越大效果越好。研究者希望发展针对各种致病病毒的特殊陷阱细胞和用于医疗的陷阱细胞库。

　　(5)识别血液异常的生物芯片
　　美国圣地亚国家实验室的发现实现了纳米爱好者的预言。正像所预想的那样，纳米技术可以在血流中进行巡航探测，即时地发现诸如病毒和细菌类型的外来入侵者，并予以歼灭，从而消除传染性疾病。 Micheal Wisz做了一个雏形装置，发挥芯片实验室的功能，它可以沿血流流动并跟踪像镰状细胞血症和感染了爱滋病的细胞。血液细胞被导入一个发射激光的腔体表面，从而改变激光的形成。癌细胞会产生一种明亮的闪光；而健康细胞只发射一种标准波长的光，以此鉴别癌变。