第十三單元未來的奈米醫(yī)學(xué)

第十三單元

未來的奈米醫(yī)學(xué)生物學(xué)生物學(xué)與生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用在21世紀(jì)有相當(dāng)大的突破生物科技為兩兆雙星中的一星生物學(xué)都屬于奈米科技就算最復(fù)雜的生物也是由微小的細(xì)胞所構(gòu)成；細(xì)胞本身就是由奈米尺度的建材所組成，像是蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸及其他的復(fù)雜生物分子。但根據(jù)慣例，「奈米科技」這個(gè)名詞一般只用在人造物品，好比說以半導(dǎo)體、金屬、塑料或玻璃所制的產(chǎn)品。奈米生物學(xué)(nanobiology)研究細(xì)胞內(nèi)各種胞器的結(jié)構(gòu)與功能的研究。細(xì)胞內(nèi)外生物物質(zhì)、能量與訊息傳導(dǎo)的研究。生物反應(yīng)機(jī)制的研究，包含修復(fù)、復(fù)制及調(diào)控等方面之生物程序。

奈米級(jí)生物分子工程的發(fā)展，包括奈米生物分子機(jī)器人及奈米訊息處理系統(tǒng)。奈米醫(yī)學(xué)人們將從分子水平上認(rèn)識(shí)自己，創(chuàng)造并利用奈米裝置和奈米結(jié)構(gòu)來防病治病，改善人類的整個(gè)生命系統(tǒng)。奈米醫(yī)學(xué)則是在分子水平上，利用分子工具和人體的分子知識(shí)，所從事的診斷、醫(yī)療、預(yù)防疾病、防止外傷、止痛、保健和改善健康狀況等科學(xué)技術(shù)，廣義地講都屬于納米醫(yī)學(xué)的范疇。

畫家筆下的有機(jī)樹狀體，大小可在一個(gè)蛋白質(zhì)分子左右。樹狀體當(dāng)中藏有許多內(nèi)在空間，被看好是輸送藥物的工具奈米醫(yī)學(xué)大未來一群無畏的醫(yī)生以及他們乘坐的高科技潛水艇，透過神秘的方式縮成微型大小，送進(jìn)一位受傷病人的血液循環(huán)中航行，以除去威脅病人生命的腦中血塊。對(duì)看電影的人來說，1966年的「聯(lián)合縮小軍」是奈米科技（nano-technology）在醫(yī)學(xué)應(yīng)用上的一場饗宴，也是大膽的愿景。過去36年來，在愈來愈小的尺度上制造復(fù)雜器械的努力，已有大幅的進(jìn)展，也讓不少人相信，類似該影片的醫(yī)學(xué)介入方法是可行的；不用多久，微型的機(jī)器人就可能在每個(gè)人的血管當(dāng)中巡弋。這種想法在某些領(lǐng)域受到過度慎重的考慮，以至于有關(guān)這種技術(shù)的黑暗面，也浮上了臺(tái)面；譬如說，可不可能有奈米大小、又能自我復(fù)制的自動(dòng)機(jī)器發(fā)起瘋來，摧毀了整個(gè)生物界？奈米科技確實(shí)具有改變生物醫(yī)學(xué)研究工具的能力在非侵入式的顯影技術(shù)上，研究人員也想利用它們作為加強(qiáng)對(duì)比的物質(zhì)，以及當(dāng)作投藥的載具。在發(fā)掘新藥的實(shí)驗(yàn)中，提供新的標(biāo)志方式；或是顯示細(xì)胞在不同情況下，有哪一批基因受到活化等。奈米尺度的器械還能在快速篩檢診斷及基因檢測中，扮演一角色，從而顯示某人對(duì)不同疾病的敏感程度，或是有哪些特定的基因在病人的癌細(xì)胞中出現(xiàn)突變。醫(yī)學(xué)的偉大遠(yuǎn)景在美國國家奈米先導(dǎo)計(jì)劃的目標(biāo)或「重要挑戰(zhàn)」之中，列出了一系列疾病檢驗(yàn)、診斷及治療的未來改善之道。這些目標(biāo)還包括了對(duì)視覺及聽覺的最新輔助之道、對(duì)疾病感染及藥物反應(yīng)的快速檢測，以及幫忙發(fā)現(xiàn)問題（包括初期的癌癥、感染或心臟毛?。?，并將訊息傳遞給外界接收器，或是可以當(dāng)場進(jìn)行修補(bǔ)的微型器械；不過這些目標(biāo)當(dāng)中，許多離實(shí)現(xiàn)還有相當(dāng)長的一段距離。目標(biāo)1：加強(qiáng)影像改良式或全新的對(duì)比劑，將可在疾病更早期也更容易治療的階段即發(fā)現(xiàn)問題。譬如說，可以找出只有幾個(gè)細(xì)胞大小的腫瘤。目標(biāo)2：治療新法奈米顆?？蓪⑺幬锼偷教囟ǖ哪繕?biāo)，包括一般藥物不容易抵達(dá)之處。舉例來說，與腫瘤產(chǎn)生結(jié)合的金質(zhì)奈米殼（圓球型），經(jīng)由紅外光照射后加熱變形，就釋放出摧毀腫瘤的藥物。目標(biāo)3：更好的移植物將人造移植物表面作奈米尺度的修正，將可增進(jìn)其耐用度及生物兼容性。譬如說，表面覆蓋一層奈米粒子的人工髖關(guān)節(jié)，可能與周圍的骨頭產(chǎn)生比一般更緊密的結(jié)合，而防止松脫。奈米生物醫(yī)學(xué)新點(diǎn)子有朝一日，可以加強(qiáng)生物醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)的速度及能力，好比說在微量的樣本中，篩選出是否有特定基因序列的存在。磁性卷標(biāo)帶了磁性奈米粒子的抗體與標(biāo)的物結(jié)合之后，經(jīng)短暫暴露于磁場之下，將造成這些探針集體放出強(qiáng)烈的磁性訊號(hào)。至于沒有與標(biāo)的物結(jié)合的抗體，則會(huì)朝不同的方向打轉(zhuǎn)，而不會(huì)產(chǎn)生訊號(hào)。因此無需經(jīng)過清洗的步驟將未結(jié)合的抗體除去，就可直接讀出結(jié)果。許多偵測是否有某分子或病原菌存在的檢驗(yàn)法，都是利用抗體與標(biāo)的物結(jié)合的方式達(dá)成。金粒子接有短鏈DNA的金質(zhì)奈米粒子，可以測定樣本中是否有某基因序列（黑色）的存在。溶液中的一組金粒子上接了與標(biāo)的序列前半段互補(bǔ)的DNA（紅色），另一組粒子則帶有與標(biāo)的序列后半互補(bǔ)的DNA（藍(lán)色）。如果樣本中的確存有該基因序列，將會(huì)與兩種金粒子上頭攜帶的DNA觸手相結(jié)合，形成密集的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，把金粒子給固定住。這種金粒子聚集成塊的現(xiàn)象，將造成溶液變色（從紅變藍(lán)）。奈米條形碼裝有不同顏色量子點(diǎn)（奈米半導(dǎo)體）的乳膠粒，具有成為特殊標(biāo)簽的潛力，可以用在任何數(shù)量的各種探針上。經(jīng)光線照射后，這些珠粒將放出顏色及強(qiáng)度都不同的特定光譜，好似光譜條形碼一般，可供辨識(shí)（由此也可得知，與之相接的探針為何）。聰明的懸臂梁利用類似原子力顯微鏡當(dāng)中的懸臂梁，可用來篩選生物樣本中是否存在某特定的基因序列。每個(gè)懸臂梁表面接上可與一特定標(biāo)的序列相接的DNA分子，然后加入生物樣本。如果有配對(duì)產(chǎn)生，將形成表面壓力，造成該懸臂梁彎曲幾個(gè)奈米；雖然彎曲的幅度不大，但足以顯示樣本中具有特定的標(biāo)的分子。奈米狂潮掀起生醫(yī)世紀(jì)大戰(zhàn)！生醫(yī)領(lǐng)域的應(yīng)用與潛力，更因?yàn)楝F(xiàn)今醫(yī)療技術(shù)無法達(dá)到分子修復(fù)的水平，而備受矚目。透過奈米醫(yī)學(xué)，可以利用分子工具和人體的分子知識(shí)，改善整個(gè)人類的生命系統(tǒng)，舉凡修復(fù)畸變的基因、扼殺剛剛萌芽的癌細(xì)胞、捕捉侵入人體的病毒……奈米技術(shù)的最大誘惑，就在于可以使一些分子免于觸發(fā)免疫系統(tǒng)反應(yīng)。不觸動(dòng)免疫系統(tǒng)直接治病美國密西根大學(xué)的科學(xué)家詹姆斯、貝克（JamesR.BakerJr）等人研究出一種樹狀的奈米級(jí)的合成分子，稱之為樹狀聚合物（dendrimers）。它的表面形成了大量的分子基因，可以像鉤子一樣攜帶有用的分子。工研院企畫處處長蘇宗粲就表示：「樹狀聚合物不會(huì)引起任何免疫反應(yīng)，成為良好的輸送載體?！鼓蚊准夹g(shù)與醫(yī)學(xué)的結(jié)合，提供醫(yī)學(xué)界另一種新的思路，奈米藥物的傳輸也成為專家們努力的指標(biāo)。以現(xiàn)階段來說，半數(shù)以上的新藥有不易溶解和吸收的問題，未來勢(shì)必得縮小藥物的顆粒尺度和提高藥物利用率。奈米醫(yī)學(xué)裝置這種只有分子大小、每秒能轉(zhuǎn)動(dòng)三、四次轉(zhuǎn)軸，未來能啟動(dòng)微型化學(xué)裝置的馬達(dá)，這些混制藥物的裝置被注射人體后，將進(jìn)入癌細(xì)胞增生處，不會(huì)影響身體其他器官，避免正常細(xì)胞受到傷害，使患者在免于開刀的情況下，可以進(jìn)到病人的患部進(jìn)行治療。最后，還能充當(dāng)人體內(nèi)的奈米醫(yī)生，長期置留在人體內(nèi)為健康把關(guān)。利用奈米晶體技術(shù)，可以讓藥物轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的奈米粒子，提高其溶解性。目前的技術(shù)已經(jīng)可以將藥物縮小到400奈米（nm）以下，口服或注射都不成問題。根據(jù)前年的《科學(xué)》（Science）雜志也報(bào)導(dǎo)，由美國科學(xué)家蒙提馬羅（C.Montemagno）率領(lǐng)一群美國康乃爾大學(xué)的科學(xué)家，利用奈米技術(shù)制造出生物分子推進(jìn)器。美國國家實(shí)驗(yàn)室的研究員MichealWisz便做了一個(gè)奈米錐型裝置，發(fā)揮芯片實(shí)驗(yàn)室的功能，它可以在血流中進(jìn)行巡航探測，當(dāng)遇到病毒或是細(xì)菌類型的外來侵入者，例如艾滋病細(xì)胞，便予以殲滅。定點(diǎn)給藥技術(shù)準(zhǔn)確度高未來疾病檢查時(shí)，可以早期發(fā)現(xiàn)并將疾病在萌芽狀態(tài)扼殺，根本不用等到末期，才利用核磁共振檢查出組織病變。由于奈米技術(shù)能夠準(zhǔn)確地導(dǎo)向定點(diǎn)給藥，特別是在腫瘤萌芽時(shí)期就予以殲滅，「其精準(zhǔn)的效果，外界稱它有如生物導(dǎo)彈。」奈米醫(yī)學(xué)診斷工具比現(xiàn)在使用的核磁共振精密度，還高出上千倍。奈米技術(shù)也應(yīng)用在影像學(xué)的診斷上。進(jìn)入微觀醫(yī)療新境界將奈米技術(shù)運(yùn)用到中草藥加工，也就是奈米中藥微膠囊技術(shù)?，F(xiàn)在中國大陸的西安國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，已通過該產(chǎn)品的技術(shù)鑒定，其膠囊微粒平均粒徑在19奈米，不但提高吸收率，同時(shí)還可以將現(xiàn)有的復(fù)方中藥改成奈米級(jí)粉體，并可望進(jìn)一步做成貼劑、噴霧劑等類型。奈米膠囊再試想一下，吞下一顆膠囊狀的檢查儀器，就能快速進(jìn)行身體健康檢查，這些利用「微小化科技」，將人類帶進(jìn)「微觀醫(yī)療」的境界，未來心血管患者，只要吞個(gè)膠囊，內(nèi)裝的儀器進(jìn)入人體后，便自動(dòng)進(jìn)行血管脂肪的清除工作，可能不久就不再是夢(mèng)了！奈米醫(yī)學(xué)之領(lǐng)域智慧藥物

適時(shí)準(zhǔn)確地釋放藥物是它的基本功能之一。

科學(xué)家正在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)。

醫(yī)學(xué)診斷與監(jiān)測本技術(shù)能以每秒2000次完成生物體內(nèi)活細(xì)胞的動(dòng)態(tài)影像，觀察活細(xì)胞的動(dòng)態(tài)，發(fā)覺單一病變細(xì)胞，又不會(huì)如CT、X光、核磁共振一樣殺死活細(xì)胞，而且精密度高可以更早期診斷出癌組織病變。分子雷達(dá)光學(xué)相位差層析技術(shù)(OCT)，分辨率可達(dá)1個(gè)微米級(jí)，較CT和核磁共振的精密度高出上千倍。微小探針技術(shù)奈米監(jiān)測器，可以殖入人體，隨血液在體內(nèi)運(yùn)行或依不同診斷和監(jiān)測目的而定位，隨時(shí)傳達(dá)生物訊息給體外記錄裝置。

微型藥房的雛形

目前這個(gè)芯片的尺寸還相當(dāng)于一個(gè)小硬幣，可以把它做得更小，并計(jì)劃裝上一個(gè)"智慧化"的傳感器，使它可以適時(shí)和適量地釋放藥物。

一種具有上千個(gè)小藥庫的微型芯片，每一個(gè)小藥庫里可以容納25納升的任何藥物，例如止痛劑或抗生素等。

能否在形成致命的腫瘤之前，早期殺滅癌細(xì)胞？

美國密西根大學(xué)的JamesR.BakerJr.博士正在設(shè)計(jì)一種納米"智慧炸彈"，它可以識(shí)別出癌細(xì)胞的化學(xué)特征(chemical"signatures")。這種"智慧炸彈"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。此裝置的研制剛剛開始，而初步的人體實(shí)驗(yàn)至少要五年以后才能進(jìn)行。

人工紅血球設(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)。奈米醫(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。人造紅血球(respirocyte)的設(shè)計(jì)這個(gè)血球是個(gè)一微米大小的金剛石的氧氣容器，內(nèi)部有1000個(gè)大氣壓，泵浦動(dòng)力來自血清葡萄糖。它輸送氧的能力是同等體積天然紅細(xì)胞的236倍，并維持生物炭活性。

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。

奈米藥物輸運(yùn)藥物的吸收又受其溶解率的限制，因此，縮小藥物的顆粒尺度成為提高藥物利用率的可行方法。按目前的認(rèn)識(shí)，有半數(shù)以上的新藥存在溶解和吸收的問題。由于藥物顆?？s小時(shí)，藥物與胃腸道液體的有效接觸面積將增加，所以藥物的溶解速率隨藥物顆粒尺度的縮小而提高。

奈米晶體技術(shù)深入研究的制粉技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)⑺幬锟s小到400納米以下。

同時(shí)，這些賦形劑在胃腸道中起表面活性劑的作用，也提高了奈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?？蓪⑺幬镱w粒轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的奈米粒子，同時(shí)提高溶解性，以提高難溶性藥物的藥效率。粉碎過程會(huì)使粒子間的相互作用力增加，為了避免奈米顆粒在粉碎過程中聚合，加工中，不溶的藥物是被懸浮在含一般認(rèn)為安全的穩(wěn)定劑和賦形劑的懸浮液中。新型基因奈米醫(yī)學(xué)將給醫(yī)學(xué)界，諸如癌癥、糖尿病和老年性癡呆等疾病的治療帶來變革，已經(jīng)獲得越來越多的認(rèn)同。利用奈米技術(shù)能夠把新型基因材料輸送到已經(jīng)存在的DNA里，而不會(huì)引起任何免疫反應(yīng)。樹形聚合物(dendrimers)就是提供此類輸送的良好候選材料。因?yàn)?，它是非生物材料，不?huì)誘發(fā)病人的免疫反應(yīng)，沒有形成排異反應(yīng)的危險(xiǎn)；所以，可以作為藥物的納米載體，攜帶藥物分子進(jìn)入人體的血液循環(huán)，使藥物在無免疫排斥的條件下，發(fā)揮治病的效果。這種技術(shù)用于糖尿病和癌癥治療是很有希望的。捕獲病毒的奈米陷阱體外實(shí)驗(yàn)表明奈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艾滋病病毒等更復(fù)雜的病毒。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奈米陷阱。此奈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。

陷阱細(xì)胞通俗地講，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(glycodendrimers)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。陷阱細(xì)胞能夠繁殖，生成不同的后代，個(gè)子較大的后代可能攜帶更多的藥物。盡管原因尚不明確，所觀察的特點(diǎn)是越大效果越好。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。

識(shí)別血液異常的生物芯片奈米技術(shù)可以在血流中進(jìn)行巡航探測，實(shí)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)胞血癥和感染了艾滋病的細(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。

新型奈米傳感器航天員因經(jīng)常暴露于輻射中，可能因此引發(fā)輻射相關(guān)疾病，成為從事太空旅行者的一大隱憂。貝克說，他們研發(fā)的裝置能夠持續(xù)監(jiān)視輻射傷害的初步征兆?？蛇M(jìn)入白血球監(jiān)測輻射體積極小的奈米裝置，一百萬個(gè)奈米才只有一個(gè)針頭直徑大小，因此當(dāng)它被吸入白血球時(shí)，不會(huì)讓航天員感覺不適或有異狀?？茖W(xué)家可利用注射或讓它像藥物般透過皮膚吸收，將傳感器送入航天員體內(nèi)。如何偵測輻射科學(xué)家正在制造一種稱為dendrimer的奈米級(jí)樹枝狀合成高聚合物，并在它上面再添加一種物質(zhì)，例如某種維他命，好讓白血球中的淋巴細(xì)胞愿意將它吸入其中。科學(xué)家另