納米生物技術(shù)

活的細(xì)胞是造化所賜的天然納米技術(shù)。如今人工納米技術(shù)將為這種天然納米技術(shù)提供輔助。
納米技術(shù)好像無(wú)處不在，然而，它的全部就是一種基于納米尺度的技術(shù)，由于大分子就是納米尺度，許多批評(píng)者認(rèn)為它只是一個(gè)有趣的化學(xué)名詞。
最先用納米一詞的人是Eric Drexler，當(dāng)時(shí)他是麻省理工大學(xué)的一名工程師，并且雄心勃勃。在他1986年寫(xiě)作出版的一本專(zhuān)著中，他極力證明：將來(lái)有一天可能會(huì)構(gòu)建具有自我復(fù)制功能的納米機(jī)器，這種機(jī)器能夠?qū)⒃铀瓦M(jìn)分子中，從而生成新物質(zhì)。
事實(shí)上活細(xì)胞已經(jīng)在這樣工作著。如果Drexler博士納米機(jī)器的設(shè)想某天變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，它將不會(huì)利用分子大小的齒輪和飛輪，而是通過(guò)人造產(chǎn)品與天然納米生物技術(shù)互相作用。
納米醫(yī)藥又稱(chēng)納米生物技術(shù)，是人工納米技術(shù)與天然納米技術(shù)的結(jié)合。細(xì)胞就像納米機(jī)器的倉(cāng)庫(kù)，這個(gè)倉(cāng)庫(kù)由微管構(gòu)成，而微管只能以納米測(cè)量其直徑。細(xì)胞的蛋白質(zhì)在核糖體的納米流水線(xiàn)上制造，并被另外一種叫做戈?duì)柤鞯募{米裝置包裹起來(lái)。那些蛋白質(zhì)常常本身就是納米機(jī)器———酶，可以根據(jù)細(xì)胞的需要將分子分開(kāi)或?qū)⒎肿舆B接起來(lái)。同這些納米機(jī)器相互作用的人工器件能夠分析細(xì)胞的內(nèi)容物，將藥傳送給細(xì)胞，從而殺死有害的細(xì)胞或利用功能正常的細(xì)胞像一個(gè)微型加工廠(chǎng)一樣工作。
人造胰臟———糖尿病患者的福音
納米生物技術(shù)的典型例子是Desai博士的人造胰臟。Desai博士在波士頓大學(xué)工作，她正在研制一種可以注入糖尿病患者體內(nèi)的新藥。目前病人必須注射胰島素來(lái)控制病情，而胰島素是在胰腺的島細(xì)胞內(nèi)生成的一種激素類(lèi)蛋白質(zhì)。Desai博士選擇老鼠的島細(xì)胞進(jìn)行試驗(yàn)，這種細(xì)胞容易獲得，但通常只在人體內(nèi)持續(xù)幾分鐘就被來(lái)自免疫系統(tǒng)的抗體破壞。這里就涉及到納米技術(shù)，雖然相當(dāng)粗糙。Desai博士將她的老鼠胰腺細(xì)胞裝進(jìn)布滿(mǎn)納米孔的膜中，這些納米孔的直徑只有7個(gè)納米，利用光刻技術(shù)———這種技術(shù)也應(yīng)用在計(jì)算機(jī)芯片上。當(dāng)血液中的葡萄糖通過(guò)納米孔滲透進(jìn)來(lái)，島細(xì)胞會(huì)相應(yīng)地釋放胰島素，7個(gè)納米的毛細(xì)細(xì)孔足以讓小分子的葡萄糖和胰島素通過(guò)。但是相對(duì)較大的抗體分子卻不能通過(guò)，因而不會(huì)毀壞胰島細(xì)胞。
迄今為止這種技術(shù)還停留在老鼠試驗(yàn)階段，被植入膠囊的糖尿病鼠在沒(méi)有注射胰島素的情況下活了好幾個(gè)星期。因此這種裝置有可能成為一個(gè)成功的納米醫(yī)藥發(fā)明。
納米孔膠囊也能用作傳送穩(wěn)定劑量的藥物，這種情況下毛細(xì)孔將擔(dān)當(dāng)十字轉(zhuǎn)門(mén)而不是看門(mén)者。由于比藥物分子略大，這些細(xì)孔將控制藥物分子的滲透率，從而保持細(xì)胞中的藥量恒定，與膠囊內(nèi)剩余的藥量無(wú)關(guān)。Desai博士將這種膠囊比作一間帶門(mén)的房子，門(mén)的寬度只能一次允許一人通過(guò)，房子的空置率更多地依賴(lài)于人們擠過(guò)房門(mén)有多快，而不是房間有多滿(mǎn)。
生物探針
有些研究者正在設(shè)計(jì)能以更加復(fù)雜的方式與生物分子相作用的納米裝置。例如，納米制造業(yè)需要設(shè)計(jì)出比現(xiàn)在所用的靈敏得多的控制生物試驗(yàn)的探針。一種方法是用半導(dǎo)體納米晶體或量子點(diǎn)代替當(dāng)前用有機(jī)色素來(lái)標(biāo)記生物分子的辦法。有機(jī)色素在化學(xué)上是不穩(wěn)定的，因而會(huì)隨著時(shí)間慢慢消失，而且用色素同時(shí)標(biāo)記不同種類(lèi)的分子難度較大，因?yàn)槊恳徊煌纳乇仨毺囟úㄩL(zhǎng)的光照射，以便能反射足夠的光進(jìn)行探測(cè)。
量子點(diǎn)納米晶體（QDNs）能解決這些問(wèn)題，這些直徑只有5－10納米的晶體有3種組分組成，它們的中心含有類(lèi)似鎘和硒的兩串原子，這兩串原子連接起來(lái)會(huì)形成一種半導(dǎo)體，在寬頻紫外光的激發(fā)下這個(gè)半導(dǎo)體發(fā)射特定顏色的光。這些原子串周?chē)h(huán)繞著一層無(wú)機(jī)物，以保護(hù)原子串。整個(gè)QDNs外面包覆一層有機(jī)物表面，可以吸附蛋白質(zhì)或DNA分子。通過(guò)改變中心的原子數(shù)，QDNs能發(fā)出不同顏色的光。
即使用一個(gè)納米晶體標(biāo)記，蛋白質(zhì)也能正常地與其它分子起反應(yīng)，因此將含有這種標(biāo)記蛋白質(zhì)的細(xì)胞放在紫外光下，通過(guò)顯微鏡可以找到被標(biāo)記的蛋白質(zhì)的位置，追蹤它們?cè)诩?xì)胞內(nèi)的活動(dòng)。加利福尼亞的量子點(diǎn)公司的Mitch Gave說(shuō)，采用納米晶體標(biāo)記有可能同時(shí)跟蹤5－10種標(biāo)記物。
另外一種可能用來(lái)標(biāo)記細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的樹(shù)枝狀分子dendrimer，尺度為2－20納米，這種物質(zhì)有許多分枝，分枝的頂端被修飾后能攜帶具有反應(yīng)能力的化學(xué)基，或被連接到抗體、DNA片段、金屬原子上，而且這些樹(shù)枝狀納米分子擅長(zhǎng)于改變它們?cè)诩?xì)胞膜內(nèi)的路線(xiàn)。
在2001年12月的自然生物技術(shù)（Nature Biotechnology）雜志上，巴爾的摩的約翰．霍普金斯大學(xué)的Jeff Bulte和他的同事們發(fā)表文章說(shuō)，被磁化標(biāo)記的樹(shù)枝狀納米分子可以用來(lái)跟蹤被移植到活鼠腦內(nèi)的干細(xì)胞。Bulte博士和他的隊(duì)伍合成連有氧化鐵分子的dendrimers，并將它們放進(jìn)含有由干細(xì)胞培養(yǎng)出的腦細(xì)胞的培養(yǎng)液中，這一磁化dendrimers被腦細(xì)胞吸收，接著將它們注射進(jìn)老鼠的腦內(nèi)。運(yùn)用磁共振成像來(lái)探測(cè)dendrimers中的氧化鐵，研究者能夠追蹤被移植細(xì)胞的位置從而觀(guān)察到它們何時(shí)生成大腦中的新組織。研究人員正在利用納米生物學(xué)的思想來(lái)開(kāi)發(fā)藥物，這種藥物專(zhuān)門(mén)作用于帶病組織，而dendrimers特別適合于這個(gè)目的。
如果將dendrimers加以修飾使其攜帶五個(gè)化學(xué)功能基，它將成為一種復(fù)雜的抗癌藥物。一個(gè)分支擁有一個(gè)可作用于癌細(xì)胞中受體分子的分子，第二個(gè)分支擁有一個(gè)遇到與癌相關(guān)的基因變異就會(huì)發(fā)出熒光的分子，第三個(gè)分支含有能夠容易被X射線(xiàn)探測(cè)的金屬原子或其它物質(zhì)，以顯示腫瘤的形狀；第四個(gè)攜帶一種可以按需釋放的藥物分子，而且第五個(gè)含有只遇到死亡的癌細(xì)胞才釋放的信號(hào)分子。Baker博士已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中生成一種7納米的dendrimers，它攜帶上述所有要素。被培養(yǎng)出的細(xì)胞中，帶有適當(dāng)受體和致癌基因變異的細(xì)胞吸收了這些dendrimers，之后立刻被毒死；而不含這種受體的細(xì)胞不受影響。現(xiàn)在該實(shí)驗(yàn)室又在試圖驗(yàn)證dendrimers是否對(duì)活體動(dòng)物有相同作用。
類(lèi)似技術(shù)最終可以使C－60產(chǎn)生一種新的用途，目前C－60最有前途的當(dāng)屬一種抗艾滋病藥物，這種藥物由兩邊粘帶dendrimers的C－60組成。由于dendrimers是水溶性物質(zhì)，整個(gè)復(fù)合物能溶入生物溶液中，而只有C－60是不能溶解的。Wilson博士和他的研究組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這一復(fù)合物能找到稱(chēng)作反轉(zhuǎn)錄酶的病毒性酶的活性部位，這種酶對(duì)HIV的生命周期至關(guān)重要，因?yàn)樗鼘⒉《镜倪z傳物質(zhì)轉(zhuǎn)譯進(jìn)DNA，而宿主細(xì)胞卻不知情地用這種DNA制造更多的病毒，C－60藥與這種酶的活性部位緊密結(jié)合，從而阻止這個(gè)過(guò)程。
這與現(xiàn)存的蛋白酶抑制劑類(lèi)抗艾滋病藥的作用方式?jīng)]有大的區(qū)別，蛋白酶抑制劑類(lèi)通過(guò)化學(xué)方式結(jié)合到酶的活性部位來(lái)阻止酶的活性，但是機(jī)理卻完全不一樣。代替化學(xué)結(jié)合，C－60藥形成一個(gè)針對(duì)活性部位的機(jī)械塞子，因此它對(duì)活性部位精確化學(xué)組成的敏感性較低。C－60藥具有重要意義的原因是，對(duì)蛋白激酶藥產(chǎn)生抗性的 HIV鏈開(kāi)始出現(xiàn)。對(duì)HIV而言，形成對(duì)C－60藥的抗性困難得多，這是因?yàn)槊副仨毥?jīng)受劇烈的改變才能毀壞C－60，而一點(diǎn)小變化就足以使現(xiàn)存的化學(xué)類(lèi)藥物效果全失。除了進(jìn)化中發(fā)生這種劇烈變化的機(jī)會(huì)很小以外，病毒酶活性部位的較大變更會(huì)使病毒失去活性。
納米管藥將取代抗生素
Reza Ghadiri，一位化學(xué)家，最近發(fā)現(xiàn)了另外一種讓人驚異的潛在納米藥。他發(fā)現(xiàn)一種全新的納米管藥，這種藥可以殺死細(xì)菌，即使細(xì)菌已經(jīng)對(duì)傳統(tǒng)抗生素形成抗性。Ghadiri博士發(fā)現(xiàn)如果將含8個(gè)氨基酸的環(huán)放在細(xì)胞膜附近，它們將自我復(fù)制并進(jìn)入那些細(xì)胞膜的管道中。這些管道大約直徑為3納米、長(zhǎng)6納米，這足夠形成細(xì)胞膜的細(xì)孔，結(jié)果細(xì)胞的許多重要組分流失從而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。
為了把他的氨基酸環(huán)制成有效的殺菌劑，Ghadiri博士必須讓它們進(jìn)入危險(xiǎn)細(xì)菌的細(xì)胞膜內(nèi)。他將組成管道的氨基酸側(cè)鏈擰成環(huán)狀，這些側(cè)鏈?zhǔn)且恍?duì)管道不重要的原子團(tuán)，但是可以改變管道與外界的作用方式。
細(xì)胞膜由脂類(lèi)分子組成，但有機(jī)體之間的細(xì)胞膜脂質(zhì)是不同的，特別是，細(xì)菌的細(xì)胞膜不同于人類(lèi)的。通過(guò)檢測(cè)出氨基酸的不同連接，Ghadiri博士發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)含8個(gè)氨基酸的氨基酸環(huán)，這些氨基酸環(huán)對(duì)一種常見(jiàn)病菌葡萄狀球菌的抗生素鏈特別有效。接著他使一些老鼠感染上致命水平的葡萄狀球菌，并向不同的老鼠組注射不同劑量的氨基酸環(huán)，對(duì)照組（沒(méi)有被注射氨基酸鏈）死亡，被注射的老鼠繼續(xù)存活。Ghadiri博士說(shuō)這些環(huán)不到一個(gè)小時(shí)就能發(fā)揮作用。
理論上講，細(xì)菌最終還是能形成對(duì)這種納米管藥物的抗性。但是，由于構(gòu)建它們的方法簡(jiǎn)單化、模型化，它們的組成很容易改變，因此，隨著靶細(xì)菌的進(jìn)化，藥物能相應(yīng)地得以修飾。相反，能找到一般抗生素的有效替代物非常困難，所以，許多藥物公司對(duì)Ghadiri博士的工作表示有興趣，盡管這種藥進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段還需要等待好幾年。

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