納米生物技術(shù)及其應(yīng)用

關(guān)于納米生物技術(shù)及其應(yīng)用2

從分子的微觀角度來看，目前的醫(yī)療技術(shù)尚無法達(dá)到分子修復(fù)的水平。納米醫(yī)學(xué)是在分子水平上，利用分子工具和人體的分子知識(shí)，創(chuàng)造并利用納米裝置和納米結(jié)構(gòu)來防病治病，改善人類的整個(gè)生命系統(tǒng)。例如：修復(fù)畸變的基因、扼殺剛剛萌芽的癌細(xì)胞、捕捉侵入人體的細(xì)菌和病毒，并在它們致病前就消滅它們；探測機(jī)體內(nèi)化學(xué)或生物化學(xué)成分的變化，適時(shí)地釋放藥物和人體所需的微量物質(zhì)，及時(shí)改善人的健康狀況。最終實(shí)現(xiàn)納米醫(yī)學(xué)，使人類擁有持續(xù)的健康。第2頁,共31頁，2024年2月25日，星期天3一、在診斷方面的應(yīng)用

1、遺傳病診斷納米技術(shù)有助診斷胎兒是否有遺傳缺陷。婦女懷孕8個(gè)星期時(shí)，血液中開始出現(xiàn)少量胎兒細(xì)胞。利用具有納米級(jí)大小孔洞的半透膜或特殊的合成納米管等，可把胎兒細(xì)胞分離出來進(jìn)行診斷。不需要進(jìn)行羊水穿刺。目前美國已將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于臨床診斷中。2、病理學(xué)診斷腫瘤診斷最可靠的手段是建立在組織細(xì)胞水平上的病理學(xué)方法，但存在著良惡性及細(xì)胞來源判斷不準(zhǔn)確的問題。利用原子力顯微鏡(atomicforcemicroscope，AFM)可以在納米水平上揭示腫瘤細(xì)胞的形態(tài)特點(diǎn)。通過尋找特異性的異常納米級(jí)結(jié)構(gòu)改變，以解決腫瘤診斷的難題。第3頁,共31頁，2024年2月25日，星期天4二、在治療方面的應(yīng)用1、納米化增加藥物吸收度

增大藥物的表面積促進(jìn)溶解。藥物大分子就能穿透組織間隙，也可以通過人體最小的毛細(xì)血管。而且分布面極廣。應(yīng)用于中藥制劑。藥物的物理活性、靶向性比普通中藥大大提高。2、納米醫(yī)用材料目前廣泛使用的人工心臟瓣膜，是由鈦金屬與不銹鋼合金所構(gòu)成，但在移植入人體后仍有損壞的可能性。結(jié)晶納米氧化鋯是一種具有高度抗生物損耗的替代材料。銀在納米狀態(tài)下的殺菌能力產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。只需用極少量的納米銀即可產(chǎn)生強(qiáng)力的殺菌作用。第4頁,共31頁，2024年2月25日，星期天5納米骨材料：把它植入體內(nèi)填充各類型的骨缺損，其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可生長出很多新生的骨細(xì)胞，所有填的納米骨材料，最后會(huì)降解消失，骨缺損部能完全被新生骨取代。具有納米級(jí)別的天然骨分級(jí)結(jié)構(gòu)和天然骨的多孔結(jié)構(gòu)第5頁,共31頁，2024年2月25日，星期天6智能藥物

這是納米醫(yī)學(xué)中的一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域，適時(shí)準(zhǔn)確地釋放藥物是它的基本功能之一。863計(jì)劃項(xiàng)目“心血管病與糖尿病多指標(biāo)微流控芯片檢測系統(tǒng)的研制”，為糖尿病人研制超小型的、模仿健康人體內(nèi)的葡萄糖檢測系統(tǒng)，它能夠被植入皮下，監(jiān)測血糖水平，在必要的時(shí)候釋放出胰島素，使病人體內(nèi)的血糖和胰島素含量總是處于正常狀態(tài)。研究控制這個(gè)芯片的尺寸，可以把它做得更小，并計(jì)劃裝上一個(gè)“智能化”的傳感器，使它可以適時(shí)和適量地釋放藥物。美國正在設(shè)計(jì)一種納米"智能炸彈"，它可以識(shí)別出癌細(xì)胞的化學(xué)特征。這種"智能炸彈"很小，僅有20納米左右，能夠進(jìn)入并摧毀單個(gè)的癌細(xì)胞。第6頁,共31頁，2024年2月25日，星期天7人工紅血球

納米醫(yī)學(xué)不僅具有消除體內(nèi)壞因素的功能，而且還有增強(qiáng)人體功能的能力。我們知道，腦細(xì)胞缺氧6至10分鐘即出現(xiàn)壞死，內(nèi)臟器官缺氧后也會(huì)呈現(xiàn)衰竭。設(shè)想一種裝備超小型納米泵的人造紅血球，攜氧量是天然紅血球的200倍以上。當(dāng)人的心臟因意外，突然停止跳動(dòng)的時(shí)候，醫(yī)生可以馬上將大量的人造紅血球注入人體，隨即提供生命賴以生存的氧，以維持整個(gè)機(jī)體的正常生理活動(dòng)。它可以應(yīng)用于貧血癥的局部治療、人工呼吸、肺功能喪失和體育運(yùn)動(dòng)需要的額外耗氧等。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，氣體分子與轉(zhuǎn)子上的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合再釋放到血漿中。第7頁,共31頁，2024年2月25日，星期天8納米藥物輸運(yùn)

納米微粒藥物輸送技術(shù)也是重要發(fā)展方向之一。目前，有半數(shù)以上的新藥存在溶解和吸收的問題。863計(jì)劃項(xiàng)目“納米藥物制劑的生物效應(yīng)研究”，當(dāng)藥物顆?？s小時(shí)，藥物與胃腸道液體的有效接觸面積將增加，藥物的溶解速率隨藥物顆粒尺度的縮小而提高。利用納米晶體技術(shù)將藥物顆粒轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米粒子，提高溶解性和難溶性藥物的藥效率。同時(shí)，納米藥物制劑的賦形劑在胃腸道中起表面活性劑的作用，也提高了納米藥物顆粒的溶解率。一旦，不溶性藥物轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米顆粒，就適合于口服或者注射了。第8頁,共31頁，2024年2月25日，星期天9捕獲病毒的納米陷阱

密西根大學(xué)的DonaldTomalia等已經(jīng)用樹形聚合物發(fā)展了能夠捕獲病毒的納米陷阱。體外實(shí)驗(yàn)表明納米陷阱能夠在流感病毒感染細(xì)胞之前就捕獲它們，同樣的方法期望用于捕獲類似愛滋病病毒等更復(fù)雜的病毒。此納米陷阱使用的是超小分子，此分子能夠在病毒進(jìn)入細(xì)胞致病前即與病毒結(jié)合，使病毒喪失致病的能力。通俗地講，人體細(xì)胞表面裝備著含硅鋁酸成分的"鎖"，只準(zhǔn)許持"鑰匙"者進(jìn)入。不幸的是，病毒竟然有硅鋁酸受體"鑰匙"。Tomalia的方法是把能夠與病毒結(jié)合的硅鋁酸位點(diǎn)覆蓋在陷阱細(xì)胞表面。當(dāng)病毒結(jié)合到陷阱細(xì)胞表面，就無法再感染人體細(xì)胞了。陷阱細(xì)胞由外殼、內(nèi)腔和核三部分組成。內(nèi)腔可充填藥物分子；將來有可能裝上化療藥物，直接送到腫瘤上。研究者希望發(fā)展針對(duì)各種致病病毒的特殊陷阱細(xì)胞和用于醫(yī)療的陷阱細(xì)胞庫。

第9頁,共31頁，2024年2月25日，星期天10識(shí)別血液異常的生物芯片

美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)納米技術(shù)可以在血流中進(jìn)行巡航探測，即時(shí)地發(fā)現(xiàn)諸如病毒和細(xì)菌類型的外來入侵者，并予以殲滅，從而消除傳染性疾病。MichealWisz做了一個(gè)雛形裝置，發(fā)揮芯片實(shí)驗(yàn)室的功能，它可以沿血流流動(dòng)并跟蹤像鐮狀細(xì)胞血癥和感染了愛滋病的細(xì)胞。血液細(xì)胞被導(dǎo)入一個(gè)發(fā)射激光的腔體表面，從而改變激光的形成。癌細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生一種明亮的閃光；而健康細(xì)胞只發(fā)射一種標(biāo)準(zhǔn)波長的光，以此鑒別癌變。識(shí)別血液異常第10頁,共31頁，2024年2月25日，星期天112.DNA合成過程、基因調(diào)控過程的STM研究3.質(zhì)粒DNA及其與限制性內(nèi)切酶相互作用的研究4.對(duì)染色體的AFM研究5.對(duì)生物分子之間及分子內(nèi)部的力的測量6.生物大分子動(dòng)態(tài)過程的研究

第11頁,共31頁，2024年2月25日，星期天127.生物大分子的直接操縱和改性DNA分子是全部遺傳信息的攜帶者，因而DNA分子操縱成為生命科學(xué)、物理學(xué)等多學(xué)科的共同熱點(diǎn)。DNA操縱包括：（1）DNA鏈的原子力切割。利用原子力顯微鏡AFM在幾年前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了DNA分子鏈的原子力切割，可不受DNA序列的限制，在任何部位進(jìn)行納米級(jí)的精確切割。（2）DNA分子鏈的拉直操縱。其實(shí)現(xiàn)方法很多，主要有以下三種：①靜電場法。在一定強(qiáng)度的電場下，可拉直小片段的DNA。②激光鑷子法。在DNA的兩端點(diǎn)粘上微小的顆粒，可通過激光鑷子將其展開。③分子梳法。通過受壓的液體流動(dòng)產(chǎn)生的流體力可將DNA鏈進(jìn)行拉直操縱，與雙色熒光標(biāo)記法結(jié)合成為基因研究中的有力工具。第12頁,共31頁，2024年2月25日，星期天133.納米機(jī)器人納米技術(shù)與分子生物學(xué)的結(jié)合將開創(chuàng)分子仿生學(xué)新領(lǐng)域?！凹{米機(jī)器人”是根據(jù)分子水平的生物學(xué)原理為設(shè)計(jì)原型，設(shè)計(jì)制造可對(duì)納米空間進(jìn)行操作的“功能分子器件”。第一代納米機(jī)器人是生物系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體，如酶和納米齒輪的結(jié)合體。這種納米機(jī)器人可注入人體血管內(nèi)，進(jìn)行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物，吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞；還可進(jìn)行人體器官的修復(fù)工作、作整容手術(shù)、從基因中除去有害的ＤＮＡ，把正常的ＤＮＡ安裝在基因中，使機(jī)體正常運(yùn)行。第二代納米機(jī)器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置。第三代納米機(jī)器人是包含納米計(jì)算機(jī)，可以進(jìn)行人機(jī)對(duì)話的裝置。一旦問世將徹底改變?nèi)祟惖膭趧?dòng)和生活方式。第13頁,共31頁，2024年2月25日，星期天14Molecular-scalemachinescouldonedayhavemedicalapplicationssuchasremovingcancerouscells.Nature

451,770-771(14February2008)|

利用氨基酸為原料，按照分子設(shè)計(jì)組成線狀肽鏈，合成所需的蛋白質(zhì)“零件”。由于線狀肽鏈能在一定的條件下自動(dòng)轉(zhuǎn)變成特定的三維結(jié)構(gòu)，所以便于制備成具有特定功能的生物零件。進(jìn)一步利用肌細(xì)胞的纖維結(jié)構(gòu)骨架和纖毛結(jié)構(gòu)（運(yùn)動(dòng)部件），還可以制備有支撐、牽引和杠桿功能的零件并以酶為核心統(tǒng)一成具有特定功能的結(jié)構(gòu)，即形成生物機(jī)器。這些納米機(jī)器人以光感應(yīng)器作為開關(guān)，從溶解在血液中的葡萄糖和氧氣獲得能量。第14頁,共31頁，2024年2月25日，星期天15模擬酶機(jī)器人：酶是生物催化劑，生命過程的每一個(gè)化學(xué)反應(yīng)都有一個(gè)相應(yīng)的酶進(jìn)行催化，所以生命現(xiàn)象就是成千上萬個(gè)在功能上有相互協(xié)調(diào)關(guān)系的酶分子井然有序地表現(xiàn)催化功能的結(jié)果。生物體內(nèi)的酶所催化的反應(yīng)幾乎涵蓋了自然界所有的化學(xué)反應(yīng)類型。因此，模擬酶分子制造納米機(jī)器人用于凈化環(huán)境和對(duì)工業(yè)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行催化是一個(gè)巨大的潛在生長力?！吧飳?dǎo)彈”機(jī)器人：生物導(dǎo)彈模仿膜囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)的功能，它把不能分辨好壞細(xì)胞的抗癌藥物包裹在脂微囊中，并在微囊表面植入一種專門與癌細(xì)胞結(jié)合的標(biāo)記分子。如此設(shè)計(jì)的生物導(dǎo)彈，就是在血液中或細(xì)胞間隙游走的納米機(jī)器人，以便專門清除血管壁上沉積物，減少心血管疾病的發(fā)病率；它一旦遇到癌細(xì)胞就會(huì)抓住不放并鉆入細(xì)胞中釋放抗癌藥物殺死癌細(xì)胞。第15頁,共31頁，2024年2月25日，星期天16在血管中運(yùn)動(dòng)的納米機(jī)器人，正在使用納米切割機(jī)和真空吸塵器來清除血管中的沉積物。納米機(jī)器人消滅癌細(xì)胞虛擬圖第16頁,共31頁，2024年2月25日，星期天17模仿線粒體機(jī)器人：模仿線粒體制造的納米機(jī)器人將可能為醫(yī)學(xué)的發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)，因?yàn)槿藗円呀?jīng)發(fā)現(xiàn)線粒體與衰老、運(yùn)動(dòng)疲勞以及很多與衰老相伴而生的疾病如糖尿病、帕金森氏并等有很重要的關(guān)系。基因修復(fù)機(jī)器人：分子病理學(xué)的研究將揭示疑難病的分子基礎(chǔ)，很多疑難病都是和某種酶分子的缺陷或酶分子的活性不能順利表現(xiàn)有關(guān)。應(yīng)用納米技術(shù)可以在微小空間重新排列基因遺傳密碼，利用基因芯片迅速查出人的基因密碼中的錯(cuò)誤，并迅速利用納米技術(shù)將錯(cuò)誤基因進(jìn)行修正，治療遺傳缺陷疾病。另外，納米技術(shù)還可以通過觀測直接發(fā)現(xiàn)遺傳缺陷或病毒中原子或分子結(jié)構(gòu)的缺陷，并通過分子手術(shù)將有缺陷的部分切割去除，然后再將好的原子和分子結(jié)構(gòu)移植上去，這樣可以從根本上治愈遺傳缺陷或病毒。第17頁,共31頁，2024年2月25日，星期天18納米機(jī)器人應(yīng)用前景動(dòng)脈粥樣硬化的治療機(jī)器人能夠從動(dòng)脈壁上清除粥樣沉積物。這不僅會(huì)提高動(dòng)脈壁的彈性,還會(huì)使通過動(dòng)脈的血液流動(dòng)狀況得到改善。腎結(jié)石、膽結(jié)石的治療

將納米機(jī)器人以插入導(dǎo)管的方式引入到尿道或膽道里內(nèi),直接到達(dá)結(jié)石所在的部位,并且直接把結(jié)石擊碎。檢查體內(nèi)疾病

像一顆膠囊，把它吞進(jìn)肚里，消化道內(nèi)的情景就可以像放電影一樣在電腦屏幕上一目了然。納米機(jī)器人在清理血管中的有害堆積物第18頁,共31頁，2024年2月25日，星期天19納米機(jī)器人進(jìn)入人體消化系統(tǒng)工作示意圖目前還只能鉆進(jìn)人的肚子里通過傳輸圖像“瞧病”，還不能治病。機(jī)器人醫(yī)生在未來三年內(nèi)：當(dāng)機(jī)器人醫(yī)生發(fā)現(xiàn)可疑病變組織后，立即能伸出“手”來取樣進(jìn)行活檢

第19頁,共31頁，2024年2月25日，星期天20納米技術(shù)在基因轉(zhuǎn)運(yùn)與基因工程中的應(yīng)用

1.納米技術(shù)在基因?qū)胫委熤械膽?yīng)用基因治療是生物治療的重要組成部分,是當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)的研究熱點(diǎn)。但其面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一是基因治療的載體系統(tǒng)。目前,用于基因治療的基因轉(zhuǎn)移載體有:反義核酸、質(zhì)粒DNA、重組病毒載體等,但各有載體互有利弊。反義核酸、質(zhì)粒DNA轉(zhuǎn)移效率低,易被核酸酶降解,而病毒載體則有安全性和免疫原性等方面的劣勢(shì)。因此,發(fā)展新型的安全、高效的基因治療載體系統(tǒng)顯得非常關(guān)鍵。納米基因載體一般由具生物兼容性、可生物降解的納米生物材料制備,基本無毒性,無免疫原性,體內(nèi)可以代謝降解,生物安全性好。第20頁,共31頁，2024年2月25日，星期天21DNA納米技術(shù)是指以DNA的理化特性為原理設(shè)計(jì)的納米技術(shù)，主要應(yīng)用于分子的組裝。利用DNA雙鏈的互補(bǔ)特性，可以實(shí)現(xiàn)納米顆粒的自組裝，并提供高度特異性結(jié)合。利用納米技術(shù)，可使DNA通過主動(dòng)靶向作用定位于細(xì)胞；將質(zhì)粒DNA濃縮至50～200nm大小且?guī)县?fù)電荷，有助于其對(duì)細(xì)胞核的有效入侵；質(zhì)粒DNA插入目的細(xì)胞后，可修復(fù)遺傳錯(cuò)誤或可產(chǎn)生治療因子(如多肽、蛋白質(zhì)、抗原等)；而質(zhì)粒DNA插入細(xì)胞核DNA的準(zhǔn)確位點(diǎn)則取決于納米粒子的大小和結(jié)構(gòu)。3.DNA納米技術(shù)和基因治療

第21頁,共31頁，2024年2月25日，星期天22納米技術(shù)在其他方面的應(yīng)用

1.細(xì)胞分離20世紀(jì)80年代初，人們建立了用納米SiO2微粒實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分離的新技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)是：①易形成密度梯度；②易實(shí)現(xiàn)納米SiO2粒子與細(xì)胞的分離。這是因?yàn)榧{米SiO2微粒是屬于無機(jī)玻璃的范疇，性能穩(wěn)定，一般不與膠體溶液和生物溶液反應(yīng)，既不會(huì)沾污生物細(xì)胞，也容易把它們分開。采用納米微粒很容易將血液樣品中的極少量的胎兒細(xì)胞分離出來，并能準(zhǔn)確地判斷出胎兒細(xì)胞是否有遺傳缺陷。利用納米微粒（如50nm的Fe3O4微粒）進(jìn)行細(xì)胞分離技術(shù)很可能在腫瘤患者早期的血液中檢查出癌細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)癌癥的早期診斷和治療。利用納米微粒檢查血液中的心肌蛋白，以幫助治療心臟病。/player.php/sid/5487847/v.swf第22頁,共31頁，2024年2月25日，星期天232.細(xì)胞內(nèi)部染色細(xì)胞內(nèi)部染色對(duì)用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡研究細(xì)胞內(nèi)各種組織是十分重要的一項(xiàng)技術(shù)。未加染色體的細(xì)胞襯度很底，目前有幾種染色技術(shù)，如熒光抗體法、鐵蛋白抗體法和過氧化物酶染色法等，目的是提高用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡觀察細(xì)胞組織的襯度。隨著細(xì)胞學(xué)研究的發(fā)展，要求進(jìn)一步提高觀察細(xì)胞內(nèi)組織的分辨率，這就需要尋找新的染色方法。納米微粒的出現(xiàn)，為建立新的染色技術(shù)提供了新的途徑。第23頁,共31頁，2024年2月25日，星期天24QuantumDots(QDs)量子點(diǎn)（半導(dǎo)體納米晶體）量子點(diǎn)是以CdSe為核、CdS或ZnS為殼的核-殼型納米體。應(yīng)用范圍廣多種顏色抗光致漂白性安全熒光時(shí)間長用于追蹤神經(jīng)細(xì)胞膜中的氨基乙酸受體的活動(dòng)性及擴(kuò)散性NATURE，VOL432，2004第24頁,共31頁，2024年2月25日，星期天25可用于非同位素標(biāo)記的生物分子的超靈敏檢測，如在QD表面連接上巰基乙酸（HS-CH2COOH)，從而使量子點(diǎn)既具有水溶性，還能與生物分子（如蛋白質(zhì)、多肽、核酸等）結(jié)合，通過光致發(fā)光檢測出QD，從而使生物分子識(shí)別一些特定的物質(zhì)。與蛋白質(zhì)偶聯(lián)，形成生物傳感器，測定生物體內(nèi)物質(zhì)的特性。第25頁,共31頁，2024年2月25日，星期天26用疏水的改良聚丙烯酸包被量子點(diǎn),使之與免疫球蛋白G和鏈霉親和素相結(jié)合,使其能準(zhǔn)確的結(jié)合并標(biāo)記在細(xì)胞表面蛋白、細(xì)胞支架蛋白和細(xì)胞核內(nèi)的蛋白質(zhì)上，利用其抗漂白的性能，通常對(duì)于定量檢測熒光分子及生物活細(xì)胞的模擬具有很大的價(jià)值。第26頁,共31頁，2024年2月25日，星期天27生物芯片技術(shù)：量子點(diǎn)色彩的多樣性滿足了對(duì)生物高分子（蛋白質(zhì)、DNA）所蘊(yùn)含海量信息進(jìn)行分析的要求。將聚合物和量子點(diǎn)結(jié)合形成聚合物微珠，微珠可以攜帶不同尺寸（顏色）的量子點(diǎn)，被照射后開始發(fā)光，經(jīng)棱鏡折射后傳出，形成幾種指定密度譜線（條形碼），這種條形碼在基因芯片和蛋白質(zhì)芯片技術(shù)中有光明的應(yīng)用前景。第27頁,共31頁，2024年2月25日，星期天28Quantumdotsmodifiedwithantibodiestohuman