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生物纳米技术在中国

浏览次数: 日期:2010-11-11

  纳米技术在生物医药领域有着广泛的应用和明确的产业前景。如纳米药物载体、纳米生物材料、纳米生物传感器和成像技术,以及微型职能医疗器械等在疾病的诊断、治疗和保健方面发挥重要作用。
  
   生物纳米技术最大的应用前景是作为药物载体。许多疑难疾病的治疗,人类已经研究出有疗效的治疗药物,但一直苦于缺乏相匹配的药物送达途径,导致疾病难以治愈。而有的药物副作用比较大,对人有较强的毒性。而以生物纳米材料作为药物载体可以很好的解决药物疗效和药物毒性问题。如在治疗癌症的药物上携带一个纳米级的“磁石”,再在病灶外部同样“贴”上“磁石”。当药物从静脉注射后随着血液循环到达病灶时,在“磁石”的作用下,药物高浓度高密度的聚集在病灶部位,最大限度地消灭癌细胞。
  
   正如20世纪微米科技的发展给人类带来的进步一样,纳米科技预计也将导致人类未来生产和生活方式的革命性变化,因而已经成为当前发达国家投入最多、发展最快的科学研究和技术开发领域之一。鉴于生物纳米的重要性,美国、日本、德国等科技强国已将纳米技术研究列入其国家重点发展领域。中国也将纳米生物技术列入重点研究领域,国家“十五”、“863计划”、“973计划”,自然科学基金均设立了纳米生物技术主题和重大项目。
  
   与此同时,中国科学家也开始了对生物纳米技术的攻关。如中南大学的张阳德教授率领的课题组在海内外率先开展了“磁纳米粒阿霉素白蛋白治疗肝癌的系统研究”,目前已经完成了动物实验和毒理实验。实验表明,900余只患肝癌的老鼠,经过治疗后,600多只痊愈。并于2003年2月挂牌成立了卫生部“纳米生物技术重点实验室”,实验室将集中中国优秀的医学、材料、化学化工等领域的专家对纳米生物技术应用于医学领域进行攻关。
  
   中国科学院高能物理研究所较早的开展了生物纳米技术的研究工作,于2004年正式成立了我国第一个“纳米生物效应实验室”。由纳米科学、生物学、毒理学、医学和化学等领域的研究人员组成的研究团队,利用核分析技术的高准确度、微区、微量等非核技术无可替代的特点,检测生物环境中的纳米颗粒。研究纳米材料在生物体内的吸收、分布、代谢等;研究在常量、微量、超微量的剂量下,对靶器官的生理功能的影响。
  
   他们利用中子活化分析的高灵敏度和小取样量,将其与细胞分离技术结合起来,定性和定量分析在细胞及不同细胞器中元素的化学种态及其变化。利用全反射x荧光分析,痕量元素的最小检测限可以达到ng量级;利用同位素标记技术,可以鉴别污染物来源的内源性或外源性;利用大科学装置平台、超高灵敏度核分析技术与纳米技术、生物技术、毒理学与医学技术等多学科交叉建立新的方法学,正在与国内外有关研究组织合作,系统开展纳米物质生物效应的研究,已获得了一批研究成果。
   目前,国内纳米生物效应的研究工作主要从生物整体水平、细胞水平、分子水平和环境等几个层面开展。其重点是研究纳米物质整体生物学效应以及对生理功能的影响、纳米物质的细胞生物学效应及其机制以及大气纳米颗粒对人体作用和影响等领域的研究。
   如对纳米颗粒的整体生物效应方面,目前已经取得了一些初步的研究结果。发现在生理盐水溶液中尺寸小于100nm的磁性纳米颗粒,仅仅微克量级进入小鼠血管就能很快导致凝血现象以致堵塞血管,导致小鼠死亡。说明这种纳米颗粒进入生物体容易与心血管系统相互作用,可能有导致心血管疾病的潜在危险。进一步研究发现,对这种纳米颗粒表面进行化学修饰,可以极大地改变它的生物效应。一般的微米Cu粉,被认为是无毒的。但研究发现,纳米Cu粉对小鼠的脾、肾、胃均能造成严重伤害,而相同剂量的微米Cu却没有损害。
   纳米颗粒在体内的吸收、分布、代谢和清除,各种纳米物质与生物靶器官相互作用的机理等,是另一个重要的研究方向。研究发现富勒烯在SD大鼠中,90%-95%富集于肝脏,48小时清除。然而,稍做表面修饰后的富勒烯,其生物效应明显不同,显出生物分布较广,在肝、骨骼、脾、肾、肺的含量依次递减,其它组织分布极低。
纳米颗粒与细胞的相互作用研究刚刚开始。纳米颗粒能够进入细胞并与细胞发生作用,主要是对跨膜过程和细胞分裂、增殖、凋亡等基本生命过程的影响和相关信号传导通路的调控,从而在细胞水平上产生的生物效应。研究发现,材料的拓扑结构和化学特性是决定细胞与其相互作用的重要因素。某些纳米拓扑结构会促进细胞的粘附、铺展和细胞骨架的形成,但是在某些情况下,纳米拓扑结构会对细胞骨架分布和张力纤维的取向产生负面影响。另有研究发现,富勒醇能够吸收紫外辐照产生的自由基,保护细胞膜不被紫外辐照损伤,能明显提高细胞存活率。纳米材料与细胞的作用机理目前尚不清楚,需要更进一步的系统研究。
   纳米颗粒与生物大分子的相互作用研究。重点在纳米材料与生物分子,例如蛋白质、DNA的相互作用及其对生物分子结构和功能的影响等。在研究血浆蛋白分子在碳纳米管无纺膜表面的吸附行为中,许海燕等人发现纤维蛋白原分子有比较强的吸附作用,并且吸附上的纤维蛋白原分子的构型功能发生了某些改变。纳米结构物质与补体系统和免疫细胞的激活作用研究说明,纳米颗粒与蛋白质分子之间存在着较强的相互作用,使补体蛋白分子的酶活性发生改变。研究发现纳米颗粒可通过静电作用与DNA形成稳定的复合物,且可保护与之复合的DNA分子免受限制性内切酶的降解,可以作为DNA运送的载体导入细胞,实行外源基因在生物体内的表达。
   大气中纳米颗粒的生物效应。目前,临床实验研究已对大气中超细颗粒物的生物毒性得出了初步结论,发现尺寸在7-100 nm的颗粒物在人体呼吸系统内有很高的沉积率;尺寸越小越难以被巨噬细胞清除,且容易向肺组织以外的组织器官转移,超细颗粒物可穿过血脑屏障。由于纳米毒理学刚开始发展,这方面的研究和数据比较少,目前尚缺乏准确的分析测试方法,研究存在一定的难度。
   生物纳米技术研究的时间还很短,但已有较好的前期积累,取得了一批丰硕成果,已经得到国际同行的认可和好评。我国已形成了一支创新能力很强的研究队伍,有从事交叉综合研究的平台。生物纳米技术是多学科交叉,多层次系统、多技术集成的跨学科研究技术,需要组织由多学科人员组成的创新能力强的研究队伍,建立系统的研究体系,深入系统地开展研究,以获得原创性的研究成果。要紧紧把握国际前沿发展方向,密切结合我国实际需求,在纳米颗粒与生物体的相互作用以及由此所产生的整体生物效应;纳米颗粒与细胞的相互作用以及由此所产生的细胞生物学效应;纳米颗粒与生物分子的相互作用以及由此所产生的分子生物学效应;纳米颗粒与微米颗粒在以上不同层次的生物效应的差别;纳米颗粒转化、迁移、团聚的方式和速率;生物环境下的纳米颗粒检测方法和技术等研究领域进军。同时,同步建立起纳米生物效应数据库,为我国纳米技术应用中的生物环境效应和安全问题的评价以及相关政策法规的制定,如各种纳米工业标准、安全防护标准等提供科学依据。
   西安量维(国际)生物纳米科技股份有限公司运用纳米技术开发生物纳米系列保健产品及中药和化妆品,尤其是运用生物纳米技术进行纳米级中药提取物的研究,对传统的中药是一种创新。
   纳米生物研究,是综合性很强的交叉学科领域,需要纳米科技、细胞生物学、分子生物学、高灵敏度的核技术、临床医学、基础医学、毒理学、物理学、化学和分析科学等多学科的融合交叉,需要各个领域的研究者的共同参与,需要各个领域研究单位的团结合作,进行人才、信息、技术,仪器设备等资源的共享,才能有效地完成纳米生物环境效应的研究。
   纳米生物研究才刚刚开始,是一个新诞生的交叉学科领域。它既是国际科学前沿,也是与人类健康和生活密切相关的重要社会问题,在这个研究领域,充满了科学创新的机遇。
   中国在纳米生物技术领域起步较早,应该在这个领域有所作为。(文建平 生物技术世界)

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