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纳米“小不点” 精准医疗“急先锋”
 
 

  “就像萤火虫一样,很微小很有力量……”吉克隽逸在《爱情发的光》里的这句歌词,或许是纳米生物技术当下最好的写照。

  自1857年法拉第首次观察到纳米金溶胶的尺寸和颜色之间的对应关系以来,纳米已经过161年的时光,如今,在生命科学家们的“妙手施法”下,渺小如尘埃、肉眼观察不到的纳米生物产品,在精准医疗的新时代,或将担当起人类对抗肿瘤等疑难病症的“急先锋”。

  在跨学科融合中衍生

  “想要了解纳米材料与技术,首先要搞清楚‘纳米’是什么。”5月11日,天津大学健康科学平台(生科院和药学院)副院长、教授和博士生导师常津见到科技日报记者时,第一句话就这样说。身为中国生物医学工程学会纳米医学与工程分会候任主委、天津市微纳生物材料与检疗技术工程中心主任,常津多年来主要从事纳米生物材料和技术在肿瘤、老年痴呆等重大疾病诊疗方面的基础和应用研究。前不久,他和团队通过添加稀土材料钆,开发出新型纳米颗粒,借助PET光学成像技术,顺利实现了靶向药物可视化引导观测,实现控制蛋白的多靶点亚细胞定位和癌症治疗,相关5篇研究成果在纳米技术领域顶级期刊《美国化学学会·纳米》上接连发表。

  近二十年来,对于大小范围在1纳米到几纳米的材料,研究人员在设计和制造方面进行了广泛的研究,这项全球性研究工作通常被称为纳米科学或纳米技术,含有纳米材料的成品数量正在快速增长。随手抓起桌上一支笔,常津比划着介绍说,1纳米是1米的十亿分之一,大约相当于1根头发的八万分之一。“别看它身材小,但作用却大得很!”因为纳米正好介于以原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带,而且纳米材料还带有“特异功能”,具有奇异的化学物理特性,它构建起一个神奇而宏大的新世界。

  纳米技术就是利用纳米材料的奇妙性能,制造具有特定功能的零部件和产品的技术。例如,有些纳米材料十分结实,强度比普通金属高十几倍,同时弹性又堪比橡胶,人们幻想有一天能使用这样的纳米钢材制造出汽车、飞机或轮船,使它们的重量减少到原来的1/10;而有的纳米材料轻而柔软,又非常强韧,密度是钢的1/6,而强度却是钢的l00倍,做防弹背心再好不过;还有的纳米材料可以吸收太阳光中的光能,直接作为电源使用。

  进入新世纪以来,随着交叉学科研究的渐渐兴起,纳米技术基于其材料独特的尺寸效应和卓越的光电磁性能,得以迅猛发展。纳米技术和生物技术也慢慢在跨学科的研究中不断进行交织和融合,慢慢衍生出一个发展非常迅速的交叉学科——纳米生物技术。

  未来10年将进入快速爆发期

  纳米家族如今可谓“人丁兴旺”,也为生命科学家提供了源源不断的灵感和广阔的创造空间,更成为生物医学高速发展的“助推器”。目前,纳米生物技术已有效推动了世界范围医学生物产业的前进,并促进和支持医学生物技术行业成为国家经济,特别是高新技术产业中的核心要素。

  2017年,伍德罗—威尔逊国际学者中心出版了纳米技术消费品详细目录在线数据库,其中列出了1600多种基于纳米技术的市场消费品。尤其在医疗卫生行业,纳米技术取得了重大突破。在美国,如今早已有了治疗白血病、黑色素瘤的纳米药物,其中黑色素瘤的纳米药物,可以让患者生存期延长到5年;前不久,我国国家纳米科学中心研发出一款超分子自组装的DNA纳米机器人,用于定点封堵肿瘤血管……

  “纳米生物技术目前正处于取得重大突破的前夜。未来10年,它将进入快速爆发期,前景不可估量!”常津说,用于研究生命现象的纳米技术,主要利用分子层次(纳米级)的有机或无机物操控技术,来解决生物学遇到的难题。“其目的并不只是将产品微小化,同时也希望通过控制分子的行为,达到控制组织与细胞的目的,并有效掌握控制纳米材料或复合物本身的多变性,以及与生物系统之间的交互反应。”

  纳米技术将使医学诊断、检测技术向微型、微观、微量、微创及快速、动态、智能化方向发展;使药物生产实现低成本、高效率、自动化、大规模,而纳米药物进入人体后,将实现器官靶向化作用;纳米机器人可自血管注入人体,以溶解在血液中的葡萄糖和氧气为能量,这些分子机器人还可按医生编制好的程序实施健康检查、疏通血栓、清除心血管的脂肪沉积物、吞噬细菌、杀死癌细胞、监视体内病变等;纳米生物传感器将用于监测、收集、播送体内细胞的健康状况和病变信息……“纳米生物技术给传统医学带来的将是革命性变化。”展望未来纳米生物技术应用,常津教授略显兴奋。

  纳米技术的突飞猛进,对医疗和健康产业的影响日趋显著,在药物输送、生物材料、造影、活性植入等医疗应用中大显身手。在常津看来,今后几年,国内纳米生物技术将在微纳米芯片检测、药物靶向治疗、微纳米医用机器人等三个临床医疗领域方向实现“更大用武之地”。此外,纳米技术还将为新药研发带来革命性变化,例如用传统方法寻找抗肿瘤药物非常费时,而运用纳米技术可以一天同时筛选100万种药物,大大缩短新药研发周期。

  缺乏动物模型和临床经验是最大短板

  由于意识到纳米生物技术的基础科学、经济和社会价值,许多国家都快速扩大本国的相关技术研发立项和投入。从世界范围看,目前美国、俄罗斯、日本和德国的研发投入居于世界前列,自2001年以来,美国国家纳米科技计划(NNI)累计受资助金额约240亿美元,仅2017年预算额就超过14亿美元。

  “2015年,我国在纳米技术研究总体投入超过了10亿美元。”采访中常津告诉记者,目前,我国在纳米生物技术研究方面已处于第一方阵,部分研究领域和成果开始领跑世界。“我国纳米科技领域申请或授权的发明专利数量显著增长,目前已跃居世界第二。从2009年开始,我国纳米科技的SCI论文数量就已超过美国,跃居世界第一位,同时,论文的质量也大幅提高,被引用次数跃居世界第二位。”

  此外,在纳米技术标准化方面,我国已在国际上占有一席之地,国内陆续颁布了一批国家纳米技术标准,初步形成了纳米标准化体系。在医疗领域,国家层面布局如今正不断取得突破。今年2月,国家重点研发计划纳米科技重点专项胃癌早期筛查与全病程监测的纳米技术及转化研究项目启动,将致力于研发超敏感、特异的胃癌标志物纳米检测新技术方法。

  “缺乏生物学和医学背景,是未来纳米生物技术研究面临的最大挑战。”采访中记者了解到,虽然我国纳米生物技术发展态势良好,但也有专家指出,目前中国从事纳米生物技术研究的科学家大多拥有化学或材料科学背景,动物模型和临床医学研究的经验相对有限,这样的短板也应当引起重视。

 
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