纳米生物工程包括哪些

纳米生物工程包括哪些
纳米生物工程包括哪些

纳米生物工程包括哪些
纳米生物工程
靳刚 应佩青
中国科学院力学研究所
（2000年11月-2001年2月）
自中国科学院纳米科技网
　　
　　纳米生物工程是什么意思?它究竟包括哪些内容?笼统地讲它包括纳米医学、纳米生物技术和纳米生物材料等.实际上,医学、生物技术和生物材料都是人们熟悉的名词和内容,当戴上一顶纳米的帽子就似乎有了悬念.这里我们先来回顾一下和我们所熟悉的名词相关的物质和事物,然后再把这些与纳米概念联系起来,看看有了哪些新的变化,通过观察一些相关的科学研究结果和应用实例,来理解纳米生物工程.
一、纳米医学
　　大多数人都有生病、吃药、打针的经历,医学就是研究疾病,治病救人的科学.那么纳米医学又是什么呢?我们知道人体是由多种器官组成的,如：大脑、心脏,肝,脾,胃,肠,肺,骨骼,肌肉和皮肤；器官又是由各种细胞组成的,细胞是器官的组织单元,细胞的组合作用才显示出器官的功能.那么细胞又是由什么组成的呢?按现在的认识,细胞的主要成份是各种各样的蛋白质、核酸、脂类和其它生物分子,可以统称生物分子,它的种类在数十万种.生物分子是构成人体的基本成分,它们各自具有独特的生物活性的,正是它们不同的生物活性决定了它们在人体内的分工和作用.由于人体是由分子构成的,所有的疾病包括衰老本身也可归因于人体内分子的变化.当人体的分子机器,如合成蛋白质的核糖体,DNA复制所需的酶等,出现故障或工作失常时,就会导致细胞死亡或异常.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.而纳米医学则是在分子水平上,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,广义地讲都属于纳米医学的范畴.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.首先需要认识生命的分子基础,然后从科学认识发展到工程技术,设计制造大量的具有令人难以置信的奇特功效的纳米装置,这些微小的纳米装置的几何尺度仅有头发丝的千分之一左右,是由一个个分子装配起来的,能够发挥类似于组织和器官的功能,并且更准确和更有效地发挥作用.他们可以在人体的各处畅游,甚至出入细胞,在人体的微观世界里完成特殊使命.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.未来的纳米医学将是强大的,它又会是令人惊讶得小,因为在其中所发挥作用的药物和医疗装置都是肉眼所无法看到的.但是它的功能会令世人惊叹.
　　需要说明,不要马上跑到大夫那儿去要纳米处方.上面所谈的纳米医学景观尚处于设计和萌芽阶段,还有很多的未知需要去探索,例如：这些纳米装置该由什么制成?他们是否可以被人体接受?并发挥所预期的作用?科学家们正在全力以赴地把纳米医学的科学想法变成医学现实.终有一天,医药柜越小,效力越大.
　　一定有人会问：纳米医学是不是科学幻想?它离我们到底有多远?还要等多久才能看到医学实现?事实上,它已经开始步入现实,并获得蓬勃发展.下面让我们看一看这一领域所取得的科学进展.
　　(1) 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.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.最近,美国麻省理工学院的研究者做出了微型药房的雏形：一种具有上千个小药库的微型芯片,每一个小药库里可以容纳25纳升的任何药物,例如止痛剂或抗生素等.它的研究者之一Robert Langer说,目前这个芯片的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"智能化"的传感器,使它可以适时和适量地释放药物.能否在形成致命的肿瘤之前,早期杀灭癌细胞?美国密西根大学的James R. Baker Jr.博士正在设计一种纳米"智能炸弹",它可以识别出癌细胞的化学特征(chemical "signatures").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.此装置的研制刚刚开始,而初步的人体实验至少要五年以后才能进行.
　　(2) 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Robert 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.这个血球是个一微米大小的金刚石的氧气容器,内部有1000个大气压,泵浦动力来自血清葡萄糖.它输送氧的能力是同等体积天然红细胞的236倍,并维持生物炭活性. 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.它的基本设计和结构功能,以及与生物体的相容性等已有专著详细论述.在此仅对其结构功能做简单介绍.图是此人工红细胞的结构和工作示意图.
　　它的腔体外壳是与生物体相容的金刚石,腔内储氧,开口处是一个可以从腔内向外传递氧的转子,随其旋转,将氧分子输入血液.
　　(3)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.按目前的认识,有半数以上的新药存在溶解和吸收的问题.由于药物颗粒缩小时,药物与胃肠道液体的有效接触面积将增加,所以药物的溶解速率随药物颗粒尺度的缩小而提高.药物的吸收又受其溶解率的限制,因此,缩小药物的颗粒尺度成为提高药物利用率的可行方法. 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.粉碎过程会使粒子间的相互作用力增加,为了避免纳米颗粒在粉碎过程中聚合,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.深入研究的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.
　　纳米医学将给医学界,诸如癌症、糖尿病和老年性痴呆等疾病的治疗带来变革,已经获得越来越多的认同.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.
　　(4) 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,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(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.陷阱细胞能够繁殖,生成不同的后代,个子较大的后代可能携带更多的药物.尽管原因尚不明确,所观察的特点是越大效果越好.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.
　　(5)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爱好者的预言.正像所预想的那样,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. 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.
二、纳米生物技术
　　纳米生物技术是纳米技术和生物技术相结合的产物,它即可以用于生物医学,也可以服务于其它社会需求.所包含的内容非常丰富,并以极快的速度增加和发展,难以概述.在此仅举一些研究结果为例.
　　(1) 生物芯片技术
　　生物芯片是不同于半导体电子芯片的另一类芯片.半导体电子芯片是集成具有特定电子学功能的微单元,所形成的电子集成电路；而生物芯片则是在很小几何尺度的表面积上,装配一种或集成多种生物活性,仅用微量生理或生物采样,即可以同时检测和研究不同的生物细胞、生物分子和DNA的特性,以及它们之间的相互作用,获得生命微观活动的规律.生物芯片可以粗略地分为细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等几类,都有集成、并行和快速检测的优点,已成为二十一世纪生物医学工程的前沿科技.
　　近两年,已经通过微制作(MEMS)技术,制成了微米量级的机械手,能够在细胞溶液中捕捉到单个细胞,进行细胞结构,功能和通讯等特性研究.美国哈佛大学的Whitesides教授领导的研究人员,发展了微电子工业普遍使用的光刻技术在生物学领域的应用,并研制出效果更好的软光刻方法(soft lithography).以此,制出了可以捕捉和固定单个细胞的生物芯片,通过调节细胞间距等,研究细胞分泌和胞间通讯.此类细胞芯片还可以作细胞分类和纯化等.它的功能原理非常简单,仅利用芯片表面微单元的几何尺寸和表面改性,即可达到选择和固定细胞,及细胞面密度控制.
图2：多元蛋白质芯片模型 图中按顺时针方向分别表示：
1）在格式化的改性表面上,固定配基；
2）含配基的芯片与蛋白溶液相互作用,蛋白特异性结合形成蛋白复合物；
3）对芯片进行检测以确定蛋白间的相互作用.

　　蛋白质芯片的发展已经经历了约十年的时间,现已出现了相对成熟的技术,如瑞典的BIACORE的单元芯片,中科院力学所的多元蛋白质光学芯片和美国的SELDI质谱芯片等.它们的共同特点都是将生物分子作为配基,固定在固体芯片表面或表面微单元上,以单一、或面阵、或序列式.利用生物分子间的特异结合的自然属性,待测分子与配基分子在芯片表面会形成生物分子复合物.然后,检测此复合物的存在与否,达到对蛋白质的探测、识别和纯化的目的.以上不同技术的差异仅在探测方法的不同.BIACORE技术利用表面等离子体共振技术检测芯片,进行单一蛋白质检测；多元蛋白质光学芯片是光学成象法,可以同时检测多种混合的蛋白质；SELDI技术则采用质谱法,以时间顺序检测序列蛋白质.
图3：研究蛋白相互作用的芯片 Protein G、p50和FRB等三种蛋白分别以点状阵列固定到玻片上.三种荧光标记的探针IgG（蓝）、 I B （绿） 、FKBP12（红）分别以其中的一种（A、B、C）或三种（E）同时出现进行探测.三种探针分别与三种蛋白发生特异性相互作用.D表示无任何探针的状态.

　　随着人类基因工程的发展,基因芯片(即DNA芯片)得到迅速的发展.DNA 芯片又称为寡核苷酸阵列或杂交阵列分析,它是根据DNA双螺旋原理而发展的核酸链间分子杂交的技术.它的基本结构类似于面阵型蛋白质芯片,在芯片表面能够制备成千上万的基因单元作为配基,对待测基因进行筛选.待测基因通过PCR扩增技术得到数量放大,再进行荧光标记,使其在筛选过程中产生可识别的荧光发射或光谱转移.此荧光信号被荧光显微镜检出,达到基因识别的目的.将已知的DNA（探针）和未知的核酸序列之间的一方以有序的阵列固定到载玻片或硅片上,再与荧光标记的另一方进行杂交.当荧光标记的一方在DNA芯片上发现互补序列时即发生杂交,杂交的结果以荧光和模式识别分析来检测.DNA芯片技术可以快速分析大量的基因信息,从而使生物医学工作者可以研究并收集基因表达和变异信息.目前国内外已有公司生产并销售的DNA芯片有两类,一类是在芯片上原位合成待测的寡核苷酸,再与荧光标记的DNA探针放在一起,当DNA探针杂交到寡核苷酸阵列上后,互补序列通过荧光扫描确定.该寡核苷酸阵列格式可用于检测变异,在基因中定位目标区域,和基因表达的研究,以及确定基因功能.另一类DNA芯片利用微量点样技术在芯片上制作互补DNA（cDNA）阵列,再与荧光标记的DNA探针杂交.cDNA阵列格式用于快速筛选.如位于Santa Clara, CA 的Affymetrix公司生产的GeneChip? 含高密度的DNA探针阵列,可以用于人类基因组中遗传信息的分析.具特殊用途的DNA探针阵列可以在人类基因组中快速筛选已知的DNA序列.
DNA芯片还可用于监测不同的人体细胞和组织基因表达,以检测癌症或其它疾病所对应的基因的变化.随着DNA芯片及杂交技术的发展,DNA芯片将有可能直接应用于临床诊断,药物开发和人类遗传诊断.
图4：基因表达的微阵列图 以两种颜色的荧光标记来自于两种细胞的样品,杂交后,对微阵列的每一位点进行荧光扫描.每一位点的光强度正比于它所结合的荧光cDNA的量.光强越强,样品中该基因的表达水平越高.如微阵列的位点无荧光,说明两种细胞均不表达该基因.如某一位点显示一种荧光,说明该标记的基因只在此细胞样品中表达.同一位点显示两种荧光,说明该基因在两种细胞样品中均表达.

　　（2）分子马达
　　分子马达是由生物大分子构成,利用化学能进行机械做功的纳米系统.天然的分子马达,如：驱动蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等,在生物体内参与了胞质运输、DNA复制、细胞分裂、肌肉收缩等一系列重要生命活动.分子马达包括线性推进和旋转式两大类.其中线性分子马达是将化学能转化为机械能,并沿着一条线性轨道运动的生物分子,主要包括肌球蛋白（myosin）、驱动蛋白（kinesin）、DNA解旋酶（DNA helicase）和RNA聚合酶(RNA polymerase)等.其中肌肉肌球蛋白是研究得较为深入的一种,它们以肌动蛋白（actin）为线性轨道,其运动过程与ATP水解相偶联.而驱动蛋白则以微管蛋白为轨道,沿微管的负极向正极运动,并由此完成各种细胞内外传质功能.目前对于驱动蛋白运动机制提出了步行（"hand-over-hand"）模型,驱动蛋白的两个头部交替与微管结合,以步行方式沿微管运动,运动的步幅是8 nm（图5）.目前, ATP水解与肌球蛋白和驱动蛋白的机械运动之间的化学机械偶联的关系还不清楚.近来的研究发现它们有相同的中心核结构,并以相似的构象变化将ATP能量转变为蛋白运动.DNA解旋酶作为线性分子马达,以DNA分子为轨道,与ATP水解释放的能量相偶联,在释放ADP和Pi的同时将DNA双链分开成两条互补单链.RNA聚合酶则在DNA转录过程中,沿DNA模板迅速移动,消耗的能量来自核苷酸的聚合及RNA的折叠反应.

图5：肌肉肌球蛋白（左）和驱动
蛋白（右）的运动周期模型

　　旋转式分子马达工作时,类似于定子和转子之间的旋转运动,比较典型的旋转式发动机有F1-ATP酶.ATP酶是一种生物体中普遍存在的酶.如图所示：它由两部分组成,一部分结合在线粒体膜上,称为F0；另一部分在膜外,称为F1.F0-ATP酶的a、b和c亚基构成质子流经膜的通道.当质子流经F0时产生力矩,从而推动了F1-ATP酶的g亚基的旋转.g亚基的顺时针与逆时针旋转分别与ATP的合成和水解相关联.F1-ATP酶直径小于12 nm,能产生大于100 pN 的力,无载荷时转速可达17转/秒.F1-ATP酶与纳米机电系统（nanoNEMS）的组合已成为新型纳米机械装置.

图6：ATP酶的结构示意图

　　美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达,研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备--"纳米直升机".该设备共包括三个组件,两个金属推进器和一个附属于与金属推进器相连的金属杆的生物分子组件.其中的生物分子组件将人体的生物"燃料"ATP转化为机械能量,使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈.这种技术仍处于研制初期,它的控制和如何应用仍是未知数.将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务.

图7：美国康纳尔大学研制成的"纳米直升机"示意图

　　（3） 硅虫晶体管
　　美国和北爱尔兰的研究者偶然发现了一种活的半导体(half bacterium, half microchip),它能够嗅出生物战所用的毒气.这一发现竟来自科学家为消除计算机芯片生产线上的某些特殊细菌的屡屡失败.为消除这些微生物,研究者试用了从紫外线到强氧化剂,但是,细菌仍可幸存.纽约州立大学的生物学家Robert Baier解释了此现象.在清洗半导体芯片时,超纯水能够溶解一些半导体材料,如氧化锗,而这些半导体材料会围绕细菌结晶,使细菌在晶体的"家"中存活得极好,而不会受到损伤.微生物用半导体材料建立了一个"活"的单元.此现象提出了广阔的想象空间.亚利桑纳大学的物理学家O'Hanlon 和 Baier认为外面包上硬壳的细菌可以用于制造生物晶体管.在普通三极管中,由源极到漏极的电流受门极电压的控制.而这种细菌半导体晶体恰好可以用作生物晶体管的门极.当在呼吸和光合作用等产生电子转移的生物过程中,光照或者器官的水汽能诱导细菌产生电子,犹如打开了这个生物晶体管.这种精巧的灵敏装置能够探测到生物战毒气.
　　他们在半导体表面用纯水制作细菌晶体单元,下一步是使它发挥晶体管的功能,并获得更多的应用.

图8： 载激光束（蓝色）的纳米传感器探针穿过活细胞,以检测该细胞是否曾置于致癌物质下

　　（4） 纳米探针
　　一种探测单个活细胞的纳米传感器,探头尺寸仅为纳米量级,当它插入活细胞时,可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤.
　　为了模仿暴露于致癌物质,将细胞浸入含有苯并吡 (BaP)的代谢物的液体中. 苯并吡是城市污染空气中普遍存在的致癌物质.在一般暴露情况下,细胞摄取苯并吡,并代谢掉.苯并吡和细胞DNA的代谢反应形成一种可水解的DNA加合物BPT （ benzo(a)pyrene tetrol).纳米探针是一支直径50纳米,外面包银的光纤,并传导一束氦-镉激光.它的尖部贴有可识别和结合BPT的单克隆抗体.325纳米波长的激光将激发抗体和BPT所形成的分子复合物产生荧光.此荧光进入探针光纤后,由光探测器接收.Tuan Vo-Dinh和他的同事认为此高选择和高灵敏的纳米传感器,可以用于探测很多细胞化学物质,可以监控活细胞的蛋白质和其它所感兴趣的生物化学物质.
　　此传感器还可以探测基因表达和靶细胞的蛋白生成,用于筛选微量药物,以确定哪种药物能够最有效地阻止细胞内,致病蛋白的活动.随着纳米技术的进步,最终实现评定单个细胞的健康状况.
　　
　　三、纳米生物材料
　　生物材料已是大家熟知的内容,例如：用于制衣、皮带的动物皮革是生物材料；用于镶牙和制作隐形眼睛的材料,尽管不是生物制品,但是被用于生物体内,也可以归于生物材料.纳米生物材料也可以分为两类,一种是适合于生物体内应用的纳米材料,它本身即可以是具有生物活性的,也可以不具有生物活性,而仅仅易于被生物体接受,而不引起不良反应.另一类是利用生物分子的特性而发展的新型纳米材料,它们可能不再被用于生物体,而被用于其它纳米技术或微制造.
　　(1) 活的电线
　　在很多方面,DNA几乎是构筑纳米尺度结构的理想材料.近来,科学家通过在DNA的表面覆盖金属原子的培植方法,合成了导电的DNA链.然而,由于DNA完全被金属覆盖,仅起一种支架的作用,不再具备选择性结合其它生物分子这一很有价值的特性. Saskatchewan大学的研究者逐渐发现了将DNA发展成新一代生物传感器和半导体导线的途径.生物化学教授Jeremy Lee 实验室的研究者发现DNA很容易把锌、镍、钴等离子并入它的双螺旋的中心,并找到了在高pH值等基本条件下,稳定DNA含有金属离子的状态,获得了新的DNA导电体. 并且,此类金属DNA仍然保持选择性结合其它分子的能力.正在开发的应用之一是遗传畸变探测生物传感器.类似于其它的DNA探测,在此传感器上装配上所要探测的特制DNA序列.在此,DNA链是导电的.杂交DNA所引起的删除或变化,均起阻碍电流的作用,计算机能够简单地通过测量电导的变化,来识别DNA的异常.
　　这种生物传感器还能用于鉴别混合物,如：环境毒素、毒品、或蛋白质等,当这类分子结合到金属DNA上,将把金属离子排斥出来,导致电流中断.由于,信号强度的减小正比于污染物的浓度,所以,能够很容易地确定环境毒素的量.金属DNA还可以用于筛选结合于DNA的抗肿瘤药物,用作微细半导体线路的导线等.
　　（2） 组织工程中的纳米生物材料
　　材料支架在组织工程中起重要作用,因为贴壁依赖型细胞只有在材料上粘附后,才能生长和分化.模仿天然的细胞外基质--胶原的结构,制成的含纳米纤维的生物可降解材料已开始应用于组织工程的体外及动物实验,并将具良好的应用前景.国内清华大学研究开发的纳米级羟基磷灰石/胶原复合物在组成上模仿了天然骨基质中无机和有机成分,其纳米级的微结构类似于天然骨基质.多孔的纳米羟基磷灰石/胶原复合物形成的三维支架为成骨细胞提供了与体内相似的微环境.细胞在该支架上能很好地生长并能分泌骨基质.体外及动物实验表明,此种羟基磷灰石/胶原复合物是良好的骨修复纳米生物材料.
　　通过以上所述,可以明显地看出纳米医学、纳米生物技术和纳米生物材料等内容,并无明显的界线,可以说是相互交叉,相互依赖,共同发展的.这正是纳米生物工程的含义.
随着进入21世纪,纳米技术的发展将使今天的科学幻想成为明天世人普遍接受的实用技术.