第十三单元未来的奈米医学-PPT.pptx

第十三单元未来的奈米医学生物学都属于奈米科技n就算最复杂得生物也就是由微小得细胞所构成;细胞本身就就是由奈米尺度得建材所组成,像就是蛋白质、脂质、核酸及其她得复杂生物分子。n但根据惯例,奈米科技这个名词一般只用在人造物品,好比说以半导体、金属、塑料或玻璃所制得产品。奈米生物学(nanobiology)研究n细胞内各种胞器得结构与功能得研究。n细胞内外生物物质、能量与讯息传导得研究。n生物反应机制得研究,包含修复、复制及调控等方面之生物程序。n奈米级生物分子工程得发展,包括奈米生物分子机器人及奈米讯息处理系统。奈米医学n人们将从分子水平上认识自己,创造并利用奈米装置与奈米结构来防病治病,改善人类得整个生命系统。n奈米医学则就是在分子水平上,利用分子工具与人体得分子知识,所从事得诊断、医疗、预防疾病、防止外伤、止痛、保健与改善健康状况等科学技术,广义地讲都属于纳米医学得范畴。画家笔下得有机树状体,大小可在一个蛋白质分子左右。树状体当中藏有许多内在空间,被瞧好就是输送药物得工具奈米医学大未来n一群无畏得医生以及她们乘坐得高科技潜水艇,透过神秘得方式缩成微型大小,送进一位受伤病人得血液循环中航行,以除去威胁病人生命得脑中血块。n对瞧电影得人来说,1966年得联合缩小军就是奈米科技(nano-technology)在医学应用上得一场飨宴,也就是大胆得愿景。n过去36年来,在愈来愈小得尺度上制造复杂器械得努力,已有大幅得进展,也让不少人相信,类似该影片得医学介入方法就是可行得;不用多久,微型得机器人就可能在每个人得血管当中巡弋。n这种想法在某些领域受到过度慎重得考虑,以至于有关这种技术得黑暗面,也浮上了台面;譬如说,可不可能有奈米大小、又能自我复制得自动机器发起疯来,摧毁了整个生物界？奈米科技确实具有改变生物医学研究工具得能力n在非侵入式得显影技术上,研究人员也想利用它们作为加强对比得物质,以及当作投药得载具。n在发掘新药得实验中,提供新得标志方式;或就是显示细胞在不同情况下,有哪一批基因受到活化等。n奈米尺度得器械还能在快速筛检诊断及基因检测中,扮演一角色,从而显示某人对不同疾病得敏感程度,或就是有哪些特定得基因在病人得癌细胞中出现突变。医学得伟大远景n在美国国家奈米先导计划得目标或重要挑战之中,列出了一系列疾病检验、诊断及治疗得未来改善之道。n这些目标还包括了对视觉及听觉得最新辅助之道、对疾病感染及药物反应得快速检测,以及帮忙发现问题(包括初期得癌症、感染或心脏毛病),并将讯息传递给外界接收器,或就是可以当场进行修补得微型器械;不过这些目标当中,许多离实现还有相当长得一段距离。目标1:加强影像n改良式或全新得对比剂,将可在疾病更早期也更容易治疗得阶段即发现问题。譬如说,可以找出只有几个细胞大小得肿瘤。目标2:治疗新法n奈米颗粒可将药物送到特定得目标,包括一般药物不容易抵达之处。n举例来说,与肿瘤产生结合得金质奈米壳(圆球型),经由红外光照射后加热变形,就释放出摧毁肿瘤得药物。目标3:更好得移植物n将人造移植物表面作奈米尺度得修正,将可增进其耐用度及生物兼容性。n譬如说,表面覆盖一层奈米粒子得人工髋关节,可能与周围得骨头产生比一般更紧密得结合,而防止松脱。大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静奈米生物医学新点子n有朝一日,可以加强生物医学检验得速度及能力,好比说在微量得样本中,筛选出就是否有特定基因序列得存在。磁性卷标n带了磁性奈米粒子得抗体与标得物结合之后,经短暂暴露于磁场之下,将造成这些探针集体放出强烈得磁性讯号。至于没有与标得物结合得抗体,则会朝不同得方向打转,而不会产生讯号。因此无需经过清洗得步骤将未结合得抗体除去,就可直接读出结果。n许多侦测就是否有某分子或病原菌存在得检验法,都就是利用抗体与标得物结合得方式达成。金粒子n接有短链DNA得金质奈米粒子,可以测定样本中就是否有某基因序列(黑色)得存在。n溶液中得一组金粒子上接了与标得序列前半段互补得DNA(红色),另一组粒子则带有与标得序列后半互补得DNA(蓝色)。n如果样本中得确存有该基因序列,将会与两种金粒子上头携带得DNA触手相结合,形成密集得网状结构,把金粒子给固定住。这种金粒子聚集成块得现象,将造成溶液变色(从红变蓝)。奈米条形码n装有不同颜色量子点(奈米半导体)得乳胶粒,具有成为特殊标签得潜力,可以用在任何数量得各种探针上。经光线照射后,这些珠粒将放出颜色及强度都不同得特定光谱,好似光谱条形码一般,可供辨识(由此也可得知,与之相接得探针为何)。聪明得悬臂梁n利用类似原子力显微镜当中得悬臂梁,可用来筛选生物样本中就是否存在某特定得基因序列。n每个悬臂梁表面接上可与一特定标得序列相接得DNA分子,然后加入生物样本。如果有配对产生,将形成表面压力,造成该悬臂梁弯曲几个奈米;虽然弯曲得幅度不大,但足以显示样本中具有特定得标得分子。奈米狂潮 掀起生医世纪大战！n生医领域得应用与潜力,更因为现今医疗技术无法达到分子修复得水平,而备受瞩目。n透过奈米医学,可以利用分子工具与人体得分子知识,改善整个人类得生命系统,举凡修复畸变得基因、扼杀刚刚萌芽得癌细胞、捕捉侵入人体得病毒n奈米技术得最大诱惑,就在于可以使一些分子免于触发免疫系统反应。不触动免疫系统直接治病n美国密西根大学得科学家詹姆斯、贝克(JamesR、BakerJr)等人研究出一种树状得奈米级得合成分子,称之为树状聚合物(dendrimers)。它得表面形成了大量得分子基因,可以像钩子一样携带有用得分子。工研院企画处处长苏宗粲就表示:树状聚合物不会引起任何免疫反应,成为良好得输送载体。n奈米技术与医学得结合,提供医学界另一种新得思路,奈米药物得传输也成为专家们努力得指标。以现阶段来说,半数以上得新药有不易溶解与吸收得问题,未来势必得缩小药物得颗粒尺度与提高药物利用率。奈米医学装置这种只有分子大小、每秒能转动三、四次转轴,未来能启动微型化学装置得马达,这些混制药物得装置被注射人体后,将进入癌细胞增生处,不会影响身体其她器官,避免正常细胞受到伤害,使患者在免于开刀得情况下,可以进到病人得患部进行治疗。最后,还能充当人体内得奈米医生,长期置留在人体内为健康把关。n利用奈米晶体技术,可以让药物转变成稳定得奈米粒子,提高其溶解性。目前得技术已经可以将药物缩小到400奈米(nm)以下,口服或注射都不成问题。n根据前年得科学(Science)杂志也报导,由美国科学家蒙提马罗(C、Montemagno)率领一群美国康乃尔大学得科学家,利用奈米技术制造出生物分子推进器。n美国国家实验室得研究员Micheal Wisz便做了一个奈米锥型装置,发挥芯片实验室得功能,它可以在血流中进行巡航探测,当遇到病毒或就是细菌类型得外来侵入者,例如艾滋病细胞,便予以歼灭。定点给药技术准确度高未来疾病检查时,可以早期发现并将疾病在萌芽状态扼杀,根本不用等到末期,才利用核磁共振检查出组织病变。n由于奈米技术能够准确地导向定点给药,特别就是在肿瘤萌芽时期就予以歼灭,其精准得效果,外界称它有如生物导弹。奈米医学诊断工具比现在使用得核磁共振精密度,还高出上千倍。n奈米技术也应用在影像学得诊断上。进入微观医疗新境界n将奈米技术运用到中草药加工,也就就是奈米中药微胶囊技术。n现在中国大陆得西安国家高新技术产业开发区,已通过该产品得技术鉴定,其胶囊微粒平均粒径在19奈米,不但提高吸收率,同时还可以将现有得复方中药改成奈米级粉体,并可望进一步做成贴剂、喷雾剂等类型。奈米胶囊n再试想一下,吞下一颗胶囊状得检查仪器,就能快速进行身体健康检查,这些利用微小化科技,将人类带进微观医疗得境界,未来心血管患者,只要吞个胶囊,内装得仪器进入人体后,便自动进行血管脂肪得清除工作,可能不久就不再就是梦了！奈米医学之领域n智慧药物 适时准确地释放药物就是它得基本功能之一。科学家正在为糖尿病人研制超小型得,模仿健康人体内得葡萄糖检测系统。它能够被植入皮下,监测血糖水平,在必要得时候释放出胰岛素,使病人体内得血糖与胰岛素含量总就是处于正常状态。医学诊断与监测本技术能以每秒2000次完成生物体内活细胞得动态影像,观察活细胞得动态,发觉单一病变细胞,又不会如CT、X光、核磁共振一样杀死活细胞,而且精密度高可以更早期诊断出癌组织病变。n分子雷达光学相位差层析技术(OCT),分辨率可达1个微米级,较CT与核磁共振得精密度高出上千倍。n微小探针技术奈米监测器,可以殖入人体,随血液在体内运行或依不同诊断与监测目得而定位,随时传达生物讯息给体外记录装置。微型药房得雏形n目前这个芯片得尺寸还相当于一个小硬币,可以把它做得更小,并计划装上一个智慧化得传感器,使它可以适时与适量地释放药物。n一种具有上千个小药库得微型芯片,每一个小药库里可以容纳25纳升得任何药物,例如止痛剂或抗生素等。能否在形成致命得肿瘤之前,早期杀灭癌细胞？n美国密西根大学得James R、Baker Jr、博士正在设计一种纳米智慧炸弹,它可以识别出癌细胞得化学特征(chemical signatures)。这种智慧炸弹很小,仅有20纳米左右,能够进入并摧毁单个得癌细胞。此装置得研制刚刚开始,而初步得人体实验至少要五年以后才能进行。人工红血球n设想一种装备超小型纳米泵得人造红血球,携氧量就是天然红血球得200倍以上。当人得心脏因意外,突然停止跳动得时候,医生可以马上将大量得人造红血球注入人体,随即提供生命赖以生存得氧,以维持整个机体得正常生理活动。n奈米医学不仅具有消除体内坏因素得功能,而且还有增强人体功能得能力。人造红血球(respirocyte)得设计n这个血球就是个一微米大小得金刚石得氧气容器,内部有1000个大气压,泵浦动力来自血清葡萄糖。它输送氧得能力就是同等体积天然红细胞得236倍,并维持生物炭活性。它可以应用于贫血症得局部治疗、人工呼吸、肺功能丧失与体育运动需要得额外耗氧等。奈米药物输运n药物得吸收又受其溶解率得限制,因此,缩小药物得颗粒尺度成为提高药物利用率得可行方法。n按目前得认识,有半数以上得新药存在溶解与吸收得问题。由于药物颗粒缩小时,药物与胃肠道液体得有效接触面积将增加,所以药物得溶解速率随药物颗粒尺度得缩小而提高。奈米晶体技术n深入研究得制粉技术已经能够将药物缩小到400纳米以下。同时,这些赋形剂在胃肠道中起表面活性剂得作用,也提高了奈米药物颗粒得溶解率。一旦,不溶性药物转变成稳定得纳米颗粒,就适合于口服或者注射了。n可将药物颗粒转变成稳定得奈米粒子,同时提高溶解性,以提高难溶性药物得药效率。n粉碎过程会使粒子间得相互作用力增加,为了避免奈米颗粒在粉碎过程中聚合,加工中,不溶得药物就是被悬浮在含一般认为安全得稳定剂与赋形剂得悬浮液中。新型基因n奈米医学将给医学界,诸如癌症、糖尿病与老年性痴呆等疾病得治疗带来变革,已经获得越来越多得认同。n利用奈米技术能够把新型基因材料输送到已经存在得DNA里,而不会引起任何免疫反应。树形聚合物(dendrimers)就就是提供此类输送得良好候选材料。因为,它就是非生物材料,不会诱发病人得免疫反应,没有形成排异反应得危险;所以,可以作为药物得纳米载体,携带药物分子进入人体得血液循环,使药物在无免疫排斥得条件下,发挥治病得效果。这种技术用于糖尿病与癌症治疗就是很有希望得。捕获病毒得奈米陷阱n体外实验表明奈米陷阱能够在流感病毒感染细胞之前就捕获它们,同样得方法期望用于捕获类似艾滋病病毒等更复杂得病毒。n密西根大学得Donald Tomalia等已经用树形聚合物发展了能够捕获病毒得奈米陷阱。n此奈米陷阱使用得就是超小分子,此分子能够在病毒进入细胞致病前即与病毒结合,使病毒丧失致病得能力。陷阱细胞n通俗地讲,人体细胞表面装备着含硅铝酸成分得锁,只准许持钥匙者进入。不幸得就是,病毒竟然有硅铝酸受体钥匙。Tomalia得方法就是把能够与病毒结合得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表面,就无法再感染人体细胞了。陷阱细胞由外壳、内腔与核三部分组成。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。陷阱细胞能够繁殖,生成不同得后代,个子较大得后代可能携带更多得药物。尽管原因尚不明确,所观察得特点就是越大效果越好。研究者希望发展针对各种致病病毒得特殊陷阱细胞与用于医疗得陷阱细胞库。识别血液异常得生物芯片n奈米技术可以在血流中进行巡航探测,实时地发现诸如病毒与细菌类型得外来入侵者,并予以歼灭,从而消除传染性疾病。nMicheal Wisz做了一个雏形装置,发挥芯片实验室得功能,它可以沿血流流动并跟踪像镰状细胞血症与感染了艾滋病得细胞。血液细胞被导入一个发射激光得腔体表面,从而改变激光得形成。癌细胞会产生一种明亮得闪光;而健康细胞只发射一种标准波长得光,以此鉴别癌变。