纳米生物技术及其应用

1纳米生物技术及其应用2

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。纳米医学是在分子水平上，利用分子工具和人体的分子知识，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。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。3一、在诊断方面的应用

1、遗传病诊断纳米技术有助诊断胎儿是否有遗传缺陷。妇女怀孕8个星期时，血液中开始出现少量胎儿细胞。利用具有纳米级大小孔洞的半透膜或特殊的合成纳米管等，可把胎儿细胞分离出来进行诊断。不需要进行羊水穿刺。目前美国已将此项技术应用于临床诊断中。2、病理学诊断肿瘤诊断最可靠的手段是建立在组织细胞水平上的病理学方法，但存在着良恶性及细胞来源判断不准确的问题。利用原子力显微镜(atomicforcemicroscope，AFM)可以在纳米水平上揭示肿瘤细胞的形态特点。通过寻找特异性的异常纳米级结构改变，以解决肿瘤诊断的难题。4二、在治疗方面的应用1、纳米化增加药物吸收度

增大药物的表面积促进溶解。药物大分子就能穿透组织间隙，也可以通过人体最小的毛细血管。而且分布面极广。应用于中药制剂。药物的物理活性、靶向性比普通中药大大提高。2、纳米医用材料目前广泛使用的人工心脏瓣膜，是由钛金属与不锈钢合金所构成，但在移植入人体后仍有损坏的可能性。结晶纳米氧化锆是一种具有高度抗生物损耗的替代材料。银在纳米状态下的杀菌能力产生了质的飞跃。只需用极少量的纳米银即可产生强力的杀菌作用。5纳米骨材料：把它植入体内填充各类型的骨缺损，其网状结构可生长出很多新生的骨细胞，所有填的纳米骨材料，最后会降解消失，骨缺损部能完全被新生骨取代。具有纳米级别的天然骨分级结构和天然骨的多孔结构6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。863计划项目“心血管病与糖尿病多指标微流控芯片检测系统的研制”，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。研究控制这个芯片的尺寸，可以把它做得更小，并计划装上一个“智能化”的传感器，使它可以适时和适量地释放药物。美国正在设计一种纳米"智能炸弹"，它可以识别出癌细胞的化学特征。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。7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。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。随着转子的转动，气体分子与转子上的结合位点结合再释放到血浆中。8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。目前，有半数以上的新药存在溶解和吸收的问题。863计划项目“纳米药物制剂的生物效应研究”，当药物颗粒缩小时，药物与胃肠道液体的有效接触面积将增加，药物的溶解速率随药物颗粒尺度的缩小而提高。利用纳米晶体技术将药物颗粒转变成稳定的纳米粒子，提高溶解性和难溶性药物的药效率。同时，纳米药物制剂的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。9捕获病毒的纳米陷阱

密西根大学的DonaldTomalia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。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。

10识别血液异常的生物芯片

美国圣地亚国家实验室发现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。MichealWisz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。识别血液异常112.DNA合成过程、基因调控过程的STM研究3.质粒DNA及其与限制性内切酶相互作用的研究4.对染色体的AFM研究5.对生物分子之间及分子内部的力的测量6.生物大分子动态过程的研究

127.生物大分子的直接操纵和改性DNA分子是全部遗传信息的携带者，因而DNA分子操纵成为生命科学、物理学等多学科的共同热点。DNA操纵包括：（1）DNA链的原子力切割。利用原子力显微镜AFM在几年前已经实现了DNA分子链的原子力切割，可不受DNA序列的限制，在任何部位进行纳米级的精确切割。（2）DNA分子链的拉直操纵。其实现方法很多，主要有以下三种：①静电场法。在一定强度的电场下，可拉直小片段的DNA。②激光镊子法。在DNA的两端点粘上微小的颗粒，可通过激光镊子将其展开。③分子梳法。通过受压的液体流动产生的流体力可将DNA链进行拉直操纵，与双色荧光标记法结合成为基因研究中的有力工具。133.纳米机器人纳米技术与分子生物学的结合将开创分子仿生学新领域。“纳米机器人”是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，如酶和纳米齿轮的结合体。这种纳米机器人可注入人体血管内，进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，吞噬病毒，杀死癌细胞；还可进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的ＤＮＡ，把正常的ＤＮＡ安装在基因中，使机体正常运行。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置。第三代纳米机器人是包含纳米计算机，可以进行人机对话的装置。一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。14Molecular-scalemachinescouldonedayhavemedicalapplicationssuchasremovingcancerouscells.Nature

451,770-771(14February2008)|

利用氨基酸为原料，按照分子设计组成线状肽链，合成所需的蛋白质“零件”。由于线状肽链能在一定的条件下自动转变成特定的三维结构，所以便于制备成具有特定功能的生物零件。进一步利用肌细胞的纤维结构骨架和纤毛结构（运动部件），还可以制备有支撑、牵引和杠杆功能的零件并以酶为核心统一成具有特定功能的结构，即形成生物机器。这些纳米机器人以光感应器作为开关，从溶解在血液中的葡萄糖和氧气获得能量。15模拟酶机器人：酶是生物催化剂，生命过程的每一个化学反应都有一个相应的酶进行催化，所以生命现象就是成千上万个在功能上有相互协调关系的酶分子井然有序地表现催化功能的结果。生物体内的酶所催化的反应几乎涵盖了自然界所有的化学反应类型。因此，模拟酶分子制造纳米机器人用于净化环境和对工业化学反应进行催化是一个巨大的潜在生长力。“生物导弹”机器人：生物导弹模仿膜囊泡转运蛋白质的功能，它把不能分辨好坏细胞的抗癌药物包裹在脂微囊中，并在微囊表面植入一种专门与癌细胞结合的标记分子。如此设计的生物导弹，就是在血液中或细胞间隙游走的纳米机器人，以便专门清除血管壁上沉积物，减少心血管疾病的发病率；它一旦遇到癌细胞就会抓住不放并钻入细胞中释放抗癌药物杀死癌细胞。16在血管中运动的纳米机器人，正在使用纳米切割机和真空吸尘器来清除血管中的沉积物。纳米机器人消灭癌细胞虚拟图17模仿线粒体机器人：模仿线粒体制造的纳米机器人将可能为医学的发展作出重要贡献，因为人们已经发现线粒体与衰老、运动疲劳以及很多与衰老相伴而生的疾病如糖尿病、帕金森氏并等有很重要的关系。基因修复机器人：分子病理学的研究将揭示疑难病的分子基础，很多疑难病都是和某种酶分子的缺陷或酶分子的活性不能顺利表现有关。应用纳米技术可以在微小空间重新排列基因遗传密码，利用基因芯片迅速查出人的基因密码中的错误，并迅速利用纳米技术将错误基因进行修正，治疗遗传缺陷疾病。另外，纳米技术还可以通过观测直接发现遗传缺陷或病毒中原子或分子结构的缺陷，并通过分子手术将有缺陷的部分切割去除，然后再将好的原子和分子结构移植上去，这样可以从根本上治愈遗传缺陷或病毒。18纳米机器人应用前景动脉粥样硬化的治疗机器人能够从动脉壁上清除粥样沉积物。这不仅会提高动脉壁的弹性,还会使通过动脉的血液流动状况得到改善。肾结石、胆结石的治疗

将纳米机器人以插入导管的方式引入到尿道或胆道里内,直接到达结石所在的部位,并且直接把结石击碎。检查体内疾病

像一颗胶囊，把它吞进肚里，消化道内的情景就可以像放电影一样在电脑屏幕上一目了然。纳米机器人在清理血管中的有害堆积物19纳米机器人进入人体消化系统工作示意图目前还只能钻进人的肚子里通过传输图像“瞧病”，还不能治病。机器人医生在未来三年内：当机器人医生发现可疑病变组织后，立即能伸出“手”来取样进行活检

20纳米技术在基因转运与基因工程中的应用

1.纳米技术在基因导入治疗中的应用基因治疗是生物治疗的重要组成部分,是当前生物医学的研究热点。但其面临的严峻挑战之一是基因治疗的载体系统。目前,用于基因治疗的基因转移载体有:反义核酸、质粒DNA、重组病毒载体等,但各有载体互有利弊。反义核酸、质粒DNA转移效率低,易被核酸酶降解,而病毒载体则有安全性和免疫原性等方面的劣势。因此,发展新型的安全、高效的基因治疗载体系统显得非常关键。纳米基因载体一般由具生物兼容性、可生物降解的纳米生物材料制备,基本无毒性,无免疫原性,体内可以代谢降解,生物安全性好。21DNA纳米技术是指以DNA的理化特性为原理设计的纳米技术，主要应用于分子的组装。利用DNA双链的互补特性，可以实现纳米颗粒的自组装，并提供高度特异性结合。利用纳米技术，可使DNA通过主动靶向作用定位于细胞；将质粒DNA浓缩至50～200nm大小且带上负电荷，有助于其对细胞核的有效入侵；质粒DNA插入目的细胞后，可修复遗传错误或可产生治疗因子(如多肽、蛋白质、抗原等)；而质粒DNA插入细胞核DNA的准确位点则取决于纳米粒子的大小和结构。3.DNA纳米技术和基因治疗

22纳米技术在其他方面的应用

1.细胞分离20世纪80年代初，人们建立了用纳米SiO2微粒实现细胞分离的新技术。优点是：①易形成密度梯度；②易实现纳米SiO2粒子与细胞的分离。这是因为纳米SiO2微粒是属于无机玻璃的范畴，性能稳定，一般不与胶体溶液和生物溶液反应，既不会沾污生物细胞，也容易把它们分开。采用纳米微粒很容易将血液样品中的极少量的胎儿细胞分离出来，并能准确地判断出胎儿细胞是否有遗传缺陷。利用纳米微粒（如50nm的Fe3O4微粒）进行细胞分离技术很可能在肿瘤患者早期的血液中检查出癌细胞，从而实现癌症的早期诊断和治疗。利用纳米微粒检查血液中的心肌蛋白，以帮助治疗心脏病。/player.php/sid/5487847/v.swf232.细胞内部染色细胞内部染色对用光学显微镜和电子显微镜研究细胞内各种组织是十分重要的一项技术。未加染色体的细胞衬度很底，目前有几种染色技术，如荧光抗体法、铁蛋白抗体法和过氧化物酶染色法等，目的是提高用光学显微镜和电子显微镜观察细胞组织的衬度。随着细胞学研究的发展，要求进一步提高观察细胞内组织的分辨率，这就需要寻找新的染色方法。纳米微粒的出现，为建立新的染色技术提供了新的途径。24QuantumDots(QDs)量子点（半导体纳米晶体）量子点是以CdSe为核、CdS或ZnS为壳的核-壳型纳米体。应用范围广多种颜色抗光致漂白性安全荧光时间长用于追踪神经细胞膜中的氨基乙酸受体的活动性及扩散性NATURE，VOL432，200425可用于非同位素标记的生物分子的超灵敏检测，如在QD表面连接上巯基乙酸（HS-CH2COOH)，从而使量子点既具有水溶性，还能与生物分子（如蛋白质、多肽、核酸等）结合，通过光致发光检测出QD，从而使生物分子识别一些特定的物质。与蛋白质偶联，形成生物传感器，测定生物体内物质的特性。26用疏水的改良聚丙烯酸包被量子点,使之与免疫球蛋白G和链霉亲和素相结合,使其能准确的结合并标记在细胞表面蛋白、细胞支架蛋白和细胞核内的蛋白质上，利用其抗漂白的性能，通常对于定量检测荧光分子及生物活细胞的模拟具有很大的价值。27生物芯片技术：量子点色彩的多样性满足了对生物高分子（蛋白质、DNA）所蕴含海量信息进行分析的要求。将聚合物和量子点结合形成聚合物微珠，微珠可以携带不同尺寸（颜色）的量子点，被照射后开始发光，经棱镜折射后传出，形成几种指定密度谱线（条形码），这种条形码在基因芯片和蛋白质芯片技术中有光明的应用前景。28Quantumdotsmodifiedwithantibodiestohumanprostatespecificmembraneantigenlightupmurinetumorsthatdevelopedfromhumanprostatecells.NatureBiotechnology,