范志恒-纳米技术在医学上的应用--.ppt

1、纳米技术在医学上 的应用,第一节 前言 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，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。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。,第二节 纳米技术在诊断中的应用,一、疾病诊断 1. 影像学诊断 （1） 纳米粒子在影像学诊断中应用。 将纳米氧化铁造影剂静脉注射以后，氧化铁颗粒被血液带到身体的各部位，只是在肝脏和脾脏被网状内皮细胞吸收。肝脏内的网状内皮细胞是由枯否细胞的巨噬细胞构成，它可以吞噬氧化铁颗粒；而恶性肿瘤细胞仅含有极少量,的枯否细胞。没有大量吸收

2、氧化铁的作用。 纳米氧化铁造影剂就是利用正常细胞和恶性肿瘤细胞之间的这种功能差异别。,(2) 光学相干层析术(OCT)： 一种新型的纳米影像学诊断工具 OCT的分辨率可达1个微米级，较CT和核磁共振的精密度高出上千倍。它能每秒2000次完成生物体内活细胞的动态成像，观察活细胞的动态，发现单个细胞病变，且不会像X光、CT、磁共振那样杀死活细胞。,2. 激光单原子分子探测术： 具有超高灵敏性激光单原子分子探测术,可在含有1000亿亿(1019)个原子或分子的1cm3气态物质中，在单个原子分子层次上准确获取其中一个。它可通过人的唾液、血液、粪便以及呼出的气体,及时发现人体中哪怕只有亿万分之一的各种致

3、病或带病游离分子。,3.微小探针技术： 利用纳米级微小探针技术, 可向人体内植入传感器 ，根据不同的诊断和监测目的，可定位于体内的不同部位，也可随血液在体内运行，随时将体内的各种生物信息反馈于体外记录装置。,4. 病理诊断方面 利用原子力显微镜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结构改变,以解决肿瘤诊断的难题。,5. 癌症的早期诊断 中国医科大学第二临床学院把纳米级微粒应用于医学研究,完成了超顺磁性氧化铁超微颗粒脂质体的研究。运用这项研究成果,可以发现直径3毫米以下的肝肿瘤。这对肝癌的早期诊断、早期治疗有着十分重要的意义。,二、疾病治疗 1. 在基因治疗方面首先要找

4、到病变细胞的DNA链,并进一步明确有病的DNA片段,然后,利用纳米技术,将用于治疗的DNA片段送到病变细胞内,替换有病的DNA片段。,2. 在器官移植方面研制出纳米生物兼容物质。在器官移植时,只要在人工器官外面涂上纳米粒子,就可预防人工器官移植的排异反应。,第三节 纳米制药技术 二、纳米西药 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。 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。,（1）将不易被人体吸收的药物（如雌二醇）或食品做成纳米粉或悬浮液，就变得容易吸收，提高了药物的生物利用度。 （2）把纳米药物做成膏药贴在患处，可

5、通过皮肤直接吸收而无须注射。 医药专家认为，利用纳米技术加工的细粒药物还适用于口服控释片、颊含片、干粉吸入剂、鼻喷雾剂、舌面速溶片以及植人式制剂和脂质体等多种剂型。,最近，美国科研人员利用“纳米药物制剂”的新工艺，将水溶性不佳或难溶药物的分子制成囊状物或包在聚合物基质中加工成纳米颗粒，从而大大提高某些药物的生物利用度。 胰岛素口服要解决胃内酸降解、胃肠内酶水解、穿透胃肠粘膜及肝脏首过作用四个问题。胰岛素普通制剂直接口服后，吸收只有1。而采用纳米技术的胰岛素口服给药系统成功地解决了这一问题,三、纳米中药 科学证明，中药的药效取决于其所含有的有效活性成分，这样的有效成分主要存在于细胞内和细胞间质当

6、中，植物细胞的细胞壁和动物细胞的细胞膜成为这些有效成分的保护层。传统的加工方法无法破碎掉这些保护层，致使中药的药效不能充分发挥，造成原料的浪费。,纳米生物技术为中药的加工工艺提供了全新的技术思路和解决方案。其指导思想是：用一种特殊的物理制备技术，在常温条件下，将鲜活的中药原材料进行纳米级（或亚微米级）的超微破碎，一方面将药材本身的细胞壁（膜）完全击破，使得细胞中最为重要的核酸物质和其它有效活性成分充分溢出；另一方面将有效成分的大分子物质破碎成能被人体直接吸收的小分子颗粒悬浮在原生母液中，再采用特殊的保鲜方法将活性有效成分完好地保持在其本然的鲜活状态。,该技术的应用可使中药加工呈现如下优势： 1

7、. 提高吸收率 2. 降低毒副作用 3. 增强功效 4. 改善剂型品质,第四节 控制释放给药 控释药(CRDDS)是控制释放给药系统(Controlled release drug delivery system,CRDDS)的简称。 CRDDS是通过物理、化学等方法改变制剂结构，使药物在预定时间内，自动按某一速度从剂型中恒速释放于作用器官或特定靶组织，并使药物浓度较长时间维持在有效浓度内的一类制剂。,CRDDS的一个重要方向是将药物粉末或溶液包埋在直径为纳米级的微粒(Microparticles)中。以纳米粒（nanoparticles,NP）作为药物载体，将会大大提高疗效、减少副作用。 纳

8、米粒的表面亲脂性越大，则其对调理蛋白的结合力越强。故要延长纳米粒在体内的循环时间，需增加其表面的亲水性，这是对纳米粒进行表面修饰时选择材料的一个必要条件。,第五节 药物输送 纳米技术在药物输送上的应用是采用靶向技术，靶向技术的研究主要有： （1）物理化学导向； （2）生物导向。,一、物理化学导向 物理化学导向利用药物的pH敏、热敏、磁性等在外部环境的作用下（如外加磁场）对肿瘤组织实行靶向给药。,二、 生物导向 利用抗体、细胞膜表面或特定基因片段的专一性作用，将配位子结合在载体上，与目标细胞表面的抗原识别器发生异性结合，使药物能准确送到肿瘤细胞中。,纳米粒子用作药物载体具有下述显著优点： （1）

9、载药纳米粒作为异物而被巨噬细胞吞噬，到达网状内皮系统分布集中的肝、脾、肺、骨髓、淋巴 等靶部位；连接有配基、抗体、酶底物所在的靶部位。 （2）到达靶部位的载药纳米粒，因载体材料的种类或配比不同而具有不同的释药速度。调整载体材料种类或配比，可控制药物的释放速度，制备出具有缓释特性的载药纳米粒。,（3）由于载药纳米粒的粘附性及小的粒径，即有利于局部用药时滞留性的增加，也有利于药物与肠壁的接触时间与接触面积，提高药物口服吸收的生物利用度。 （4）可防止药物在胃酸性条件下水解，并能大大降低药物与胃蛋白酶等消化酶接触的机会，从而提高药物在胃肠道中的稳定性。,（5）载药纳米粒可以改变膜运转机制，增加药物对

10、生物膜的透过性，有利于药物透皮吸收与细胞内药效发挥。,第六节 智能药物 智能药物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。,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

11、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。,第七节 人工红血球 人工红细胞的结构和工作示意图 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，从金刚石腔体进入到血浆中。 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Rober

12、t 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。,第八节 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。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

13、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。,第九节 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技术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。,第十节 治疗肿瘤 一、可治疗癌症的纳米粒

14、子 武汉理工大学李世谱教授经研究发现，某些纳米材料可杀死癌细胞，有效抑制肿瘤生长，而对正常细胞组织丝毫无损。李世普教授成功研制出羟基磷灰石复合陶瓷。羟基磷灰石是骨骼中的一种成分，与人体有良好的相容性，研究发现，羟基磷灰石的,纳米材料是对付癌细胞的有效武器。委托北京医科大学等权威机构做的细胞生物学试验表明，纳米粒子可以杀死人的肺癌、肝癌、食道癌等多种肿瘤细胞。年进行动物实验显示，向老鼠体内肿瘤注射羟基磷灰石纳米粒子溶胶，天后抑瘤率，外观上肿块消失。,二、表面包复的磁性粒子在治疗肿瘤上的应用 1. 利用磁性纳米粒子用于癌病的诊断和治疗 带有磁性的纳米Fe2O3微粒是发展这种技术的最重要的对象。例如

15、10-50nm的纳米Fe2O3磁性粒子表面包覆甲基丙烯酸，尺寸为200nm,这种超细粒子携带蛋白、抗体和药物可以用于癌病的诊断和治疗。这种局部治疗效果好，副作用少，成为癌病的治疗方向。,（1）靶向性治疗癌症 将磁性纳米颗粒与药物结合,注入到人体内,在外磁场作用下,药物向病变部位集中,从而达到定向治疗的目的,将大大提高肿瘤的药物治疗效果。 以张阳德教授为首的课题组，从1995年开展了“高性能磁性纳米粒DNA阿霉素治疗肝癌”课题的研究，他们将肝肿瘤移植到老鼠身上，,并将载带抗肿瘤药物阿霉素的纳米微囊注射到老鼠体内，结果发现，磁性阿霉素白蛋白纳米粒聚集在老鼠癌变位置。7天后，大部分癌细胞被抑制，外观

16、上肿块消失。此实验证明，纳米微囊对癌细胞具有高度的靶向性，选择性杀死癌细胞，且不损伤正常细胞，对移植性肿瘤疗效好，在人体上应能达到相应的效果。,（2） 原位“灼烧”或“爆炸” 治疗癌症 研究人员将极其细小的氧化铁纳米颗粒，注入患者的癌瘤里，然后将患者置于可变的磁场中，使患者癌瘤里的氧化铁纳米颗粒升温到4547摄氏度，这温度足以烧毁癌瘤细胞，而周围健康组织不会受到伤害。,有科学家设计了一种“聪明”的炸弹，它通过认读癌细胞的化学“签字”，把癌细胞做为靶细胞，该炮弹小到约20纳米，能进入单个细胞并把它炸得片甲不留。,2. 利用磁性纳米粒子分离癌细胞 例如采用约50nm的纳米Fe2O3粒子，包覆聚苯乙烯后，成功用于小鼠骨髓液中癌细胞的分离。首先从羊身上取出抗小鼠Fc抗体（免疫球蛋白），然后与上述磁性粒子的包覆物相结合。将小鼠带有正常细胞和癌细胞的骨髓液取出，加入小鼠杂种产生的抗神经母细胞癌单克隆抗体，此抗体只与骨髓中的癌细胞结合。最后将带抗体和包覆层的磁性粒子放入骨髓液中，它只与携带抗体的癌细胞相结合。,利用磁分离装置很容易将细胞从骨髓中分离出来，分离率达99.9%以上。 伦敦的儿科医院、挪威工业大学和美国喷气推进研究所利用这种技术成功地进行了人体骨髓液细胞的分离来治疗癌病患者。,第十一节 生物兼容物质 生物兼容物质的开发，是纳米材料在医学领域中的另一个重要应