网站地图联系我们English中国科学院
 
  科学传播
公告通知
·关于2017年国庆节放假安排的通知[09.05]
·关于2017年端午节放假安排的通知[05.08]
·关于2017年劳动节放假安排的通知[04.21]
·关于2017年清明节放假安排的通知[03.21]
·转:关于举办“极·致未来”责任创新挑战赛的通知[03.02]
  您现在的位置:首页 > 科学传播 > 科普文章
纳米技术的两面性
2017-11-06| 文章来源:世界科学| 【

  计算机生成的BIND-014药物模型显示:自组装外脂质层中封闭着一种化疗药物,只有纳米粒子准确找到肿瘤细胞时,这种药物才会释放出来 

  需要权衡纳米粒子的毒性和纳米医学的潜力。 

  2010年,亚利桑那州艺术史教授伊夫林•索伦森(Evelyn Sorensen)成为一名II期宫颈癌患者,当时癌细胞已经扩散到淋巴结。由于她的生命只有一年时间了,医生告诉她说:告别家人,去度假吧。就像在报纸上的报道中所描述的那样,索伦森不甘心接受这个令人沮丧的预测,坚持要查看临床试验清单,结果她了解到马萨诸塞州坎布里奇的一项试验——一家叫作BIND生物科学公司的企业正在利用超小型纳米技术移动颗粒来攻击肿瘤。索伦森参加了一项试验,这项试验是由亚利桑那州凤凰城转化基因组学研究院丹尼尔•凡•霍夫(Daniel Von Hoff)主持的。经过首次治疗,索伦森的肿瘤缩小了70%。几年之后,尽管索伦森仍在服药,但是医生确认她的身体中没有显示出癌症的迹象。 

  索伦森利用的临床治疗方法被称为BIND-014,这是一种带有化学涂层的纳米粒子,经过设计,利用这种纳米粒子来寻找恶性细胞,并输送强效化疗药剂——多西他赛(docetaxel)。这种粒子允许药物选择性地聚集在患癌部位,使疗效大幅提高。BIND-014疗法是由哈佛医学院的奥米德•法罗哈扎德(Omid Farokhzad)以及麻省理工学院的研究人员开发的,目前处于各种癌症治疗的II期试验阶段。据报道,在对付非小细胞肺癌方面,该疗法显示出值得肯定的结果。然而,其他试验的结果非常混杂,使BIND公司一度陷入短暂的财务危机中,这充分说明了该行业具有不成熟性和潜在的波动性。

  纳米材料取得重大突破的领域不仅仅局限于医药行业。在过去的20年中,对于大小范围在1纳米到几纳米的材料,在设计和制造方面进行了广泛的研究,这项全球性的研究工作通常被称为纳米科学或纳米技术,含有纳米材料的产品数量正在快速增长。伍德罗-威尔逊国际学者中心出版了纳米技术消费品库存在线数据库,其中列出了1 600多种基于纳米技术的市场消费品。

  科学家和投资者正在转向更加广泛、面向应用的领域,如医疗卫生和生物医学领域。在2013年的报告中,技术市场研究企业勒克斯研究公司(Lux Research)的结论是,政府对纳米技术的支持在2009年达到顶峰,支持金额为83亿美元,此后支持力度处于持续下降的态势。有几个国家停止了专门的纳米技术计划,将该计划并入其他科技计划中。但是,勒克斯公司还预测:尽管支持纳米技术的资金有所减少,纳米材料和中等尺度产品(如涂料、记忆芯片和催化剂)的经营在总体上正在产生净利润。该报告指出:纳米材料市场将继续增长,到2018年会达到3.2万亿美元。尽管毒理学家担心广泛接触纳米材料或直径小于100纳米的颗粒会给环境和健康带来潜在的有害影响,但是最近纳米医药行业的商业化成功案例正在激起生物技术公司、投资者和制药企业的强烈兴趣。对于这个处于挣扎之中而又充满希望的领域来说,纳米医学看起来像一个大救星了。

  定义纳米技术 

  纳米技术是一种转化型科学,其目标是创建每个原子都位于适当位置的装置和结构。纳米科学超越了传统科学学科的界限,其研究是在化学、物理、材料科学以及民用、电气、生物医学和机械工程等多学科融合的规模上进行的。我们看到纳米科学的影响几乎波及所有领域,包括:医药、汽车、能源、农业、消费品等行业,甚至也波及了娱乐业。 

  纳米技术涉及的领域很广泛,用一个简单的定义无法说明。通常,纳米技术描述为:在原子和分子的尺度上控制物质材料的相关科学。纳米(nano)来自希腊语单词n?覾nos或nánnos,意思是“矮小的、小型的”。作为长度单位的纳米是这样换算的:1纳米等于10亿分之一米,太过短小难以理解和把握。科学家和工程师会利用常见的事物来描述纳米,例如,国家纳米技计划中指出:“1纳米是人类头发直径的约10万分之一,或者说是红细胞的千分之一,或者说大约是DNA直径的一半。”有时,研究人员会简单地、毫无帮助地把纳米描述为:“纳米真的非常非常小。”已故的化学家哈里•克罗托爵士(Sir Harry Kroto)曾经打了个比方,如果纳米像人的头颅那么大,那么人的头颅就会像整个地球那么大。即使这样,仍然很难直观地去理解和想象纳米。 

  物理学家理查德•费曼(Richard Feynman)是最早设想纳米技术的人之一,他在1959年的演讲《底部拥有充足的空间》中描述了纳米技术的哲学基础。“纳米技术”这个词最初是由谷口纪男提出的,他在1974年描述了一种新技术,利用这一技术可以在小于微米的尺度上对材料进行控制和设计。科学家现在已经报道过天然存在的纳米粒子和工程化的纳米粒子。自然产生的纳米粒子包括:海洋喷雾、森林火灾排放、沙尘暴、火山灰和生物颗粒(如通常大小为5纳米的蛋白质)。长期以来,人们一直在接触由燃烧引起的天然纳米粒子,从很大程度上来说,人的身体对此能够很好地适应,能够保护自身不受这些潜在有害外来物的侵害。 

  偶然的情况下,人们也可能暴露于人造纳米粒子之中。人造纳米粒子分为两类:第一类没有预定的大小,可能会表现出不确定的化学性质,如:燃烧释放的颗粒、柴油机排放的尾气、焊接释放的烟雾和粉煤灰;第二类是那些被称为人工纳米粒子的颗粒,它们的大小从1纳米到100纳米不等,是有着可控表面、特定大小和明确形状的纯材料。人工纳米材料在尺度上相当于最小的天然纳米颗粒,主要是由碳、金属、金属氧化物和生物构体组成(如为基因或药物输送设计的脂质体和病毒) 

  系列应用 

  通过新的各种纳米制备技术,现在科学家和工程师可以准确创造出几乎所有的纳米材料,这种材料可以用来有效转换能量,可以输送医用纳米胶囊或药物,可以对作物精确施用除草剂和杀虫剂,可以提高药物的溶解度和生物利用度。精确构建的纳米结构在应用方面还包括计算机和射频标签中的纳米芯片元件,这些元件用于自动识别、跟踪食品和动物。IBM、惠普等公司的研究人员正在将纳米级逻辑电路安装在单个碳纳米管和纳米线、纳米晶体管和纳米开关之间,这样的电路比当前的硅晶体管占用的空间更少、速度更快、温度更低。 

  纳米技术传感器可以用在个人健康监测器和能够检测污染物、毒素和病原体的环境探测器上。根据行业分析企业NanoMarket公司的预测:在许多应用领域,纳米传感器的应用还会持续增长。该公司预计,增长的关键动力是提高灵敏度和能够同时检测多种化合物。NanoMarket公司还预测,纳米技术工具会不断发展。深刻认识纳米尺度的现象对于提高现有纳米传感器的性能至关重要,这不仅会影响到传感器市场,还可以支持研究人员以创新机制为基础对纳米传感器进行开发。预计纳米技术的转型机会将会出现于新型传感的应用,其中的生化传感器将会利用不同寻常的纳米尺度现象来判断疾病标记。 

  纳米与化学结构 

  创造像计算机芯片这样的小型器件时,这些器件可以从硅基板上蚀刻出来。相比之下,纳米结构材料是这样制造出来的:通过将一种物质添加到另一种物质上,使物质的各种性质发生改变或改善。因此,尽管硅的微加工是在0.2微米的尺度范围内进行的,但是纳米技术的基本尺度约为一个原子的直径:0.0 008微米。

  众所周知,为特定功能而设计的分子一直是现代化学中的一部分。但纳米技术与化学不同,它不仅仅局限于溶液中分子和离子之间的吸引和结合。一旦“自下而上”的具体过程(创建原子级的精确结构)制定出来,那么新型纳米机械和纳米制备系统的设计跟机械工程就非常相似。该方法既可以应用于单个小型部件,也可以应用于大型系统。 

  在常规的化学反应中,键使原子结合,反应物保持在促进最低自由能的精确方向,每一种反应物都具有不连续的能量。在化学反应中发生的原子的重新排列总是伴随着热的释放或吸收。断裂键吸收能量,形成键则释放能量。在纳米技术中,通过“分子机器”进行相同的反应。在分子机器中,反应物通过输送带上的夹具保持精确方向,在适当角度和力量下结合在一起。输送带随着反应的发生而移动,这样可以每秒催化超过100万次的反应。 

  然而,纳米技术的快速发展、纳米产品和工艺的不断改进,既提供了巨大的机遇,也带来了严峻的挑战。对于游离、不可控的纳米粒子仍存在一些悬而未决的问题。研究人员正在寻找方法来区分人为、偶然和天然的纳米粒子源。其他的挑战与许多现有纳米技术的不可持续有关,因为这些纳米技术需要使用大量的能源、水和溶剂。此外,一些现有的纳米制造工艺使用不可再生材料,而且尚不清楚对人体健康会造成怎样的影响。研究人员正在研究安全、可持续的替代品,但是对于某些纳米材料的安全性问题,他们还没有找到解决方案。 

  潜在的代表性技术 

  随着纳米医疗行业的持续增长,预计纳米技术对经济将会产生重大的影响,尤其是在医疗领域。

  纳米医学常常利用各种纳米颗粒,特别是在癌症诊断和治疗方面。在临床试验中,大多数抗癌药物由于其毒性和缺乏选择性而受到阻碍,因为这些药物会杀死正常细胞和癌细胞。科学家正在努力寻找可以选择靶向攻击癌细胞和癌组织的抗癌药物,这些药物可以使健康组织丝毫无损。 

  通过提高靶向药物的输送效率,纳米医学提供了改进抗癌药物输送的替代方法。抗癌化合物依附于纳米粒子(如量子点和碳纳米管)上,可以高效穿过细胞和组织,从而被细胞吸收。当纳米颗粒属于相对较大的尺度时(在10至100纳米的尺度范围内),它们不能穿过密排的细胞内层而进入相邻组织。然而,当药物分子依附于颗粒上时,它们在血液中保持稳定性和完整性,直到达到目标肿瘤。这些纳米颗粒药物轭合物能够指向癌细胞是因为其大小、形状和表面特征。最终,纳米颗粒药物的选择性使药物对癌细胞的作用达到最大化,使健康细胞完好无损,对患者产生的副作用较少。 

  BIND-014(救助了伊夫林•索伦森的药物)是靶向药物输送方面最有前途的纳米粒子之一。BIND-014已经通过了I期临床试验的安全性测试,现在正在接受II期试验,以测试其在治疗肺癌和前列腺癌方面的疗效。BIND-014是通过聚合物串组装起来的,这种聚合物串能够自发折叠形成颗粒。聚合物和靶向分子或靶向离子交叉在一起,这些分子和离子跟另一种分子结合,并通过设计与靶向癌细胞的粒子结合。这种自组装过程使批量复制分子更加容易,并且可能最终把这一技术转化到临床应用上来提供独特的优势。 

  另一个有希望的抗癌药物是CALAA-01,它是输送颗粒RONDEL和小干扰RNA(siRNA)分子的组合,通过影响癌细胞RNA的功能来抑制肿瘤生长。CALAA-01中的siRNA在稳定的纳米颗粒内不会降解。目前,该药已进入Ib期临床试验阶段。 

  纳米毒理学 

  要确定纳米尺度颗粒的所有物理、化学或生物学的独特特征具有挑战性。这种困难会增加人们的担忧:这些新材料可能是产生毒性的潜在原因。纳米结构具有与其物理尺度相关的电子特点、光学特点和磁性特点,当这些纳米结构分解时,可能会产生难以预测的毒性反应。纳米结构表面可以参与催化反应和氧化反应,由于较高的面积/体积比值,它们的毒性会比类似而尺度较大的材料更大。此外,一些纳米结构材料含有有毒金属或有毒化合物,当母体材料分解时,毒素就会释放出来。

  尽管纳米医学的进步允许研究人员实施定制的药物输送,但其他方面的发展正在产生某些健康和环境方面的问题。 

  人们关注较多的一类工程纳米颗粒是碳纳米管。碳纳米管技术已经获得了5 000多项专利,此外还有5万多种相关专利。最常见的类型包括:具有几个同心壁的多壁碳纳米管、一层构成的单壁碳纳米管。碳纳米管非常适用于电子、结构工程和医药领域,因为它们具有独特的导电性、机械强度和易于衍生化(针对药物输送的定制应用)。在化学术语中,衍生化是指将化合物转变成具有相似化学结构的产物的技术,转变后的材料称为衍生物。 

  然而,监管机构、医护人员、环保人士、健康倡导者和一些其他的普通大众越来越关心接触碳纳米管所带来的问题。许多研究发现:将碳纳米管注入小鼠、大鼠和豚鼠的肺部可能会导致肉芽肿、炎症和纤维化。当皮肤吸入、摄取或接触到多壁碳纳米管之后,多壁碳纳米管毒性就会增加。碳纳米管的长宽之比跟石棉类似,而石棉的纤维晶体会引起肺癌、间皮瘤和石棉沉滞症;因此,碳纳米管非常麻烦。其中许多研究并没有产生支持流行病学的数据,表明这些研究还存在很大差距。 

  纳米医学的进步使科学家能够明确药物输送的化学机制,确定各种纳米颗粒的成分,但是该领域其他的发展正在引起对健康和环境的关注。第8届国际纳米毒理学大会(Nanotox2016)于2016年在波士顿举办,大会的主题为“纳米毒理学的10年发展:对人类健康和环境的影响”。会议日程上有几十项报告,此次会议聚集了世界上最多的纳米毒理学家。专家小组审查了过去10年的纳米毒理学研究,他们赞成两项重大成就。第一项成就为:在传统的核心学科以外,纳米毒理学作为真正的跨学科领域所发生的变化。第二项成就为:大会将这种变化归功于:对过去新技术商业化过程中所犯错误的清醒认识、科学共同体对纳米技术安全发展的承诺。 

  大会也承认,纳米科学的某些方面可以从不同的方式进行研究。例如,纳米毒理学研究中所使用的剂量大小的测量具有挑战性。有时,研究中使用的剂量如此之大,跟现实世界中的情况没有关联,从而导致有疑问的发现。在寻求评估纳米毒性的标准方法方面仍然存在其他悬而未决的问题。为此,大会设立了可持续纳米技术组织,以确定纳米技术的经济、伦理和社会效益。总体而言,该领域的研究人员认识到:需要开发特征参数、计量工具、新型仪器和协议,协议中要能够提供工程纳米材料跟生物、环境系统之间相互作用的信息。 

  在这种具有前瞻性的氛围中,人们的担忧和新型生物医学应用之间的相关争论仍会继续。但是,有一点是明确的:纳米技术的两面性会依然存在,利益和风险仍会并存。 

  原文作者奥默伍米•沙迪克(Omowunmi Sadik)是纽约州立大学宾厄姆顿分校生物分析与环境化学教授,她从澳大利亚伍伦贡大学获得博士学位,也是科学研究荣誉协会Sigma Xi著名的授课专家。 

  

   

   

 
 
中科院苏州纳米所 版权所有 备案序号:苏ICP备10220403号
地址:江苏省苏州市苏州工业园区若水路398号 邮编:215123 Email: administrator@sinano.ac.cn