奈米生物技術是國際生物技術領域的前沿和熱點問題，在醫藥衛生領域有著廣泛的應用和明確的産業化前景，特別是奈米藥物載體、奈米生物感測器和成像技術以及微型智慧化醫療器械等，將在疾病的診斷、治療和衛生保健方面發揮重要作用。
目前，國際上奈米生物技術在醫藥領域的研究已取得一定的進展。美國、日本、德國等國家均已將奈米生物技術作為21世紀的科研優先項目予以重點發展。
美國的優先研究領域包括：生物材料（材料—組織介面、生物相容性材料），儀器（生物感測器、研究工具），治療（藥物和基因載體）等。已有一種奈米藥物載體通過了 F DA批准並應用於臨床，密西根大學的 D onald Tomalia等已經用樹形聚合物發展了能夠捕獲病毒的“奈米陷阱”。體外實驗表明“奈米陷阱”能夠在流感病毒感染細胞之前就捕獲它們，使病毒喪失致病的能力。
日本政府在國家實驗室、大學和公司設立了大量的奈米技術研究機構，並且在這些機構中間培養了一流的合作途徑，其科學研究的品質和水準相當高，生物技術亦是其優先研究領域。
德國決定2001年啟動新一輪奈米生物技術研究計劃，將在今後6年內投入1億馬克，第一批21個項目的參與資金為4000萬馬克，計劃的主要重點是研製出用於診療的摧毀腫瘤細胞的奈米導彈和可存儲數據的微型記憶體，利用該技術進一步開發出微型生物感測器，用於診斷受感染的人體血液中抗體的形成，治療癌症和各種心血管病。
英國政府亦在1988年正式啟動奈米計劃，新加坡于1995年啟動國家奈米計劃，澳大利亞、南韓、俄羅斯亦先後啟動了國家奈米發展計劃。
我國奈米生物技術的發展與先進國家相比，起步較晚，但“九五”期間“863計劃”啟動了國家奈米振興計劃，“十五”期間“863計劃”將奈米生物技術列為專題項目予以優先支援發展。
當前奈米生物技術研究領域主要集中在以下幾個方向：奈米生物材料、奈米生物器件研究和奈米生物技術在臨床診療中的應用。
神奇的奈米生物材料
奈米材料對生物醫學的影響具有深遠的意義，奈米醫學的發展進程如何，在很大程度上取決於奈米材料科學的發展。奈米材料分為兩個層次：奈米微粒和奈米固體。
如今，人們已經能夠直接利用原子、分子進行生産、製備出僅包含幾十個到幾百萬個原子的單個粒徑為1~100奈米的奈米微粒，並把它們作為基本構成單元，適當排列成三維的奈米固體。奈米材料由於其結構的特殊性，表現出許多不同於傳統材料的物理、化學性能。在醫學領域中，奈米材料已經得到成功的應用。最引人注目的是作為藥物載體，或製作人體生物醫學材料，如人工腎臟、人工關節等。在奈米鐵微粒表面覆一層聚合物後，可以固定蛋白質或酶，以控制生物反應。國外用奈米陶瓷微粒作載體的病毒誘導物也取得成功。由於奈米微粒比血紅細胞還小許多，可以在血液中自由運作，在疾病的診斷和治療中發揮獨特作用。
1．藥物和基因奈米載體材料將帶來醫學變革
在奈米生物材料研究中，目前研究的熱點和已有較好基礎及做出實質性成果的是藥物奈米載體和奈米顆粒基因轉移技術。這種技術是以奈米顆粒作為藥物和基因轉移載體，將藥物、 D NA和RNA等基因治療分子包裹在奈米顆粒之中或吸附在其表面，同時也在顆粒表面耦聯特異性的靶向分子，如特異性配體、單克隆抗體等，通過靶向分子與細胞表面特異性受體結合，在細胞攝取作用下進入細胞內，實現安全有效的靶向性藥物和基因治療。
藥物奈米載體具有高度靶向、藥物控制釋放、提高難溶藥物的溶解率和吸收率優點，提高藥物療效和降低毒副作用。奈米顆粒作為基因載體具有一些顯著的優點：奈米顆粒能包裹、濃縮、保護核苷酸，使其免遭核酸酶的降解；比表面積大，具有生物親和性，易於在其表面耦聯特異性的靶向分子，實現基因治療的特異性；在迴圈系統中的迴圈時間較普通顆粒明顯延長，在一定時間內不會象普通顆粒那樣迅速地被吞噬細胞清除；讓核苷酸緩慢釋放，有效地延長作用時間，並維持有效的産物濃度，提高轉染效率和轉染産物的生物利用度；代謝産物少，副作用小，無免疫排斥反應等。
對專利和文獻資料的統計分析表明，用於惡性腫瘤診斷和治療的藥物載體主要由金屬奈米顆粒、無機非金屬奈米顆粒、生物降解性高分子奈米顆粒和生物性顆粒構成。由於毒副作用少，膠體金和鐵是金屬材料中作為基因載體、藥物載體的重要材料。膠體金于40年前用於細胞器官染色，以便在電鏡下對細胞分子進行觀察與分析。膠體金對細胞外基質膠原蛋白表現出特異結合的特性，啟發人們考慮用膠體金作為藥物和基因的載體，用於惡性腫瘤的診斷和治療。
在非金屬無機材料中，磁性奈米材料最為引人注目，已成為目前新興生物材料領域的研究熱點。特別是磁性奈米顆粒表現出良好的表面效應，比表面激增，官能團密度和選擇吸附能力變大，攜帶藥物或基因的百分數量增加。在物理和生物學意義上，順磁性或超順磁性的奈米鐵氧體奈米顆粒在外加磁場的作用下，溫度上升至40－45℃，可達到殺死腫瘤的目的。
生物降解性是藥物載體或基因載體的重要特徵之一，通過降解，載體與藥物／基因片段定向進入靶細胞之後，表層的載體被生物降解，芯部的藥物釋放出來發揮療效，避免了藥物在其他組織中釋放。可降解性高分子奈米藥物和基因載體已成為目前惡性腫瘤診斷與治療研究中主流，研究和發明中超過60％的藥物或基因片段採用可降解性高分子生物材料作為載體，如聚丙交脂（ P LA）、聚已交脂（PGA）、聚己內脂（PCL）、PMMA、聚苯乙烯（PS）、纖維素、纖維素－聚乙烯、聚羥基丙酸脂、明膠以及它們之間的共聚物。這類材料最突出的特點是生物降解性和生物相容性。通過成分控制和結構設計，生物降解的速率可以控制，部分聚丙交脂、聚已交脂、聚己內脂、明膠及它們共聚物可降解成細胞正常代謝物質——水和二氧化碳。
生物性高分子物質，如蛋白質、磷脂、糖蛋白、脂質體、膠原蛋白等，利用它們的親和力與基因片段和藥物結合形成生物性高分子奈米顆粒，再結合上含有 R GD定向識別器，靶向性與目標細胞表面的整合子（ i ntegrins）結合後將藥物送進腫瘤細胞，達到殺死腫瘤細胞或使腫瘤細胞發生基因轉染的目的。
藥物奈米載體（奈米微粒藥物輸送）技術是奈米生物技術的重要發展方向之一，將給惡性腫瘤、糖尿病和老年性癡呆等疾病的治療帶來變革。
2．如何製備藥物和基因奈米載體
將聚乙二醇多段共聚物作為抗癌藥物阿黴素的載體，其中 P EG嵌段接枝共聚物的分子量為2000，該共聚物由寡肽與氨基尾端連結而成，通過二氨和 P EG2（琥珀酰亞氨羧酸酯）界面凝聚制得。每個寡肽片段含有三個羧基基團，主要用於與抗癌藥物阿黴素連接。至少含有一個分子量最低的烷基和一個 C2~20鏈烷醇基團環糊精衍生物，可用於藥物的釋放，具有低溶血活性。採用硅烷偶聯劑處理，在紫外光照射下引發聚合，製備聚 N－異丙基丙烯酰胺薄涂層，用於製備奈米載體微粒。
3．讓藥物瞄準病變部位的“奈米導彈”
從1994年開始，中南大學衛生部肝膽腸外科研究中心張陽德等（中國現代醫學雜誌2001；11（3）：1－14）開展了磁奈米粒治療肝癌研究，我們的研究內容包括磁性阿黴素白蛋白奈米粒在正常肝的磁靶向性、在大鼠體內的分佈及對大鼠移植性肝癌的治療效果等。結果表明，磁性阿黴素白蛋白奈米粒具有高效磁靶向性，在大鼠移植肝腫瘤中的聚集明顯增加，而且對移植性腫瘤有很好的療效。
靶向技術的研究主要在物理化學導向和生物導向兩個層次上進行。物理化學導向在實際應用中缺乏準確性，很難確保正常細胞不受到藥物的攻擊。生物導向可在更高層次上解決靶向給藥的問題。
物理化學導向———利用藥物載體的 p H敏、熱敏、磁性等特點在外部環境的作用下（如外加磁場）對腫瘤組織實行靶向給藥。磁性奈米載體在生物體的靶向性是利用外加磁場，使磁性奈米粒在病變部位富集，減小正常組織的藥物暴露，降低毒副作用，提高藥物的療效。磁性靶向奈米藥物載體主要用於惡性腫瘤、心血管病、腦血栓、冠心病、肺氣腫等疾病的治療。
生物導向———利用抗體、細胞膜表面受體或特定基因片段的專一性作用，將配位子結合在載體上，與目標細胞表面的抗原性識別器發生特異性結合，使藥物能夠準確送到腫瘤細胞中。藥物（特別是抗癌藥物）的靶向釋放面臨網狀內皮系統（ R ES）對其非選擇性清除的問題。再者，多數藥物為疏水性，它們與奈米顆粒載體偶聯時，可能産生沉澱，利用高分子聚合物凝膠成為藥物載體可望解決此類問題。因凝膠可高度水合，如合成時對其尺寸達到奈米級，可用於增強對癌細胞的通透和保留效應。目前，雖然許多蛋白質類、酶類抗體能夠在實驗室中合成，但是更好的、特異性更強的靶向物質還有待於研究與開發。而且藥物載體與靶向物質的結合方式也有待於研究。
奈米生物器件研究
1．給腫瘤貼標簽的奈米生物感測器
將熒光素（熒光蛋白）結合靶向因子，通過與腫瘤表面的靶標識別器結合後，在體外用測試儀器顯影可確定腫瘤的大小尺寸和體位。另一個重要的方法是將奈米磁性顆粒與靶向性因子結合，與腫瘤表面的靶標識別器結合後，在體外用儀器測定磁性顆粒在體內的分佈和位置，確定腫瘤的大小尺寸和體位。
美國科學家研製出一種奈米探針，它是一支直徑50奈米，外麵包銀的光纖，並可傳導一束氦—鎘鐳射。它的尖部貼有可識別和結合 B PT的單克隆抗體。325奈米波長的鐳射將激發抗體和 B PT所形成的分子複合物産生熒光。此熒光進入探針光纖後，由光探測器接收。 T uan Vo－Dinh和他的同事認為，此高選擇和高靈敏的奈米感測器能用於探測很多細胞化學物質，可以監控活細胞的蛋白質和其他所感興趣的生物化學物質。2．在細胞內發放藥物的“分子馬達”
醫學的發展，離不開醫療器械的現代化。建立在奈米尺度上的醫療器械，將會開創奈米醫學的新世界。目前，研究較多的是分子馬達（ m olecular motor）。所謂分子馬達即分子機械，是指分子水準（奈米尺度）的一種複合體，能夠作為機械部件的最小實體。它的驅動方式是通過外部刺激（如採用化學、電化學、光化學等方法改變環境）使分子結構、構型或構像發生較大變化，並且必須保證這種變化是可控和可調製的，而不是無規的，從而使體系在理論上具有對外機械做功的可能性。
美國康納爾大學的科學家利用 A TP酶作為分子馬達，研製出了一種可以進入人體細胞的奈米機電設備———“奈米直升機”。該設備包括兩個金屬推進器和一個金屬桿，由生物分子組件將人體的生物“燃料” A TP轉化為機械能量，使得金屬推進器運轉。這種技術仍處於研製初期，但將來有可能完成在人體細胞內發放藥物等醫療任務。
奈米生物技術離臨床診療有多遠
奈米生物技術在醫學臨床的應用在可預見的將來會非常廣泛。過去10年中，利用奈米技術進行惡性腫瘤早期診斷與治療的探索研究在西方發達國家全面展開，美、日、德等發達國家斥鉅資投入該項研究，旨在於15年內征服一部分惡性腫瘤。
美國 A lfret A、Douglas C等利用奈米顆粒與病毒基因片段及其他藥物結合，構成奈米微球，在動物實驗中靶向治療乳腺腫瘤獲得成功。近年來奈米技術在惡性腫瘤早期診斷與治療應用方面最成功的是鐵氧體奈米材料及相關技術。武漢理工大學李世普在體外實驗中發現粒子尺度在20—80奈米的羥基磷灰石奈米材料具有殺死癌細胞的功能。然而，在充分安全、有效進入臨床應用前仍有諸如更可靠的奈米載體、更準確的靶向物質、更有效的治療藥物、更靈敏，操作性更方便的感測器、以及體內載體作用機制的動態測試與分析方法等重大問題尚待研究解決。
總的來説，國際上奈米生物技術的研究範圍涉及奈米生物材料、藥物和轉基因奈米載體、奈米生物相容性人工器官、奈米生物感測器和成像技術、利用掃描探針顯微鏡分析蛋白質和 D NA的結構與功能等重要領域，以疾病的早期診斷和提高療效為目標。在奈米生物材料，尤其是在藥物奈米載體方面的研究已取得一些積極的進展，在惡性腫瘤診療奈米生物技術方面也取得了實驗階段的進展，其他方面的研究尚處於探索階段。
●小知識
奈米（ n ano me ter， nm）是一種長度單位，一奈米等於10億分之一米、千分之一微米，大約是三、四個原子的寬度， D NA鏈的直徑就是一奈米左右。由於奈米材料表現出許多不同於傳統材料的特殊性能，所以奈米科技被視為21世紀關鍵的高新技術之一。
●作者簡介
張陽德中南大學湘雅醫院外科主任、外科學教授、博士生導師，國家“十五”“863計劃”專家委員會奈米生物技術主題專家，衛生部肝膽腸外科研究中心主任，衛生部奈米生物技術重點實驗室主任，中南大學生物醫學工程學科主任，《中國現代醫學雜誌》、《中國內鏡雜誌》主編。
《科技日報》 2001年11月05日
