第十三单元未来的奈米医学课件.ppt

1、第十三单元未来的奈米医学n 就算最复杂的生物也是由微小的细胞所构成；细胞本身就是由奈米尺度的建材所组成，像是蛋白质、脂质、核酸及其他的复杂生物分子。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、塑料或玻璃所制的产品。n 细胞内各种胞器的结构与功能的研究。n 细胞内外生物物质、能量与讯息传导的研究。n 生物反应机制的研究，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的发展，包括奈米生物分子机器人及奈米讯息处理系统。n 人们将从分子水平上认识自己，创造并利用奈米装置和奈米结构来防病治病，改善人类的整个生命系统。n 奈米医学则是在分子水平上，利用分子工具和

2、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。画家笔下的有机树状体，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，被看好是输送药物的工具n 一群无畏的医生以及他们乘坐的高科技潜水艇，透过神秘的方式缩成微型大小，送进一位受伤病人的血液循环中航行，以除去威胁病人生命的脑中血块。n 对看电影的人来说，1966年的联合缩小军是奈米科技（nano-technology）在医学应用上的一场飨宴，也是大胆的愿景。n 过去36年来，在愈来愈小的尺度上制造复杂器械的努力，已有大幅的进展，也让不少人相信，类似该影片的医学介入方法

3、是可行的；不用多久，微型的机器人就可能在每个人的血管当中巡弋。n 这种想法在某些领域受到过度慎重的考虑，以至于有关这种技术的黑暗面，也浮上了台面；譬如说，可不可能有奈米大小、又能自我复制的自动机器发起疯来，摧毁了整个生物界？n 在非侵入式的显影技术上，研究人员也想利用它们作为加强对比的物质，以及当作投药的载具。n 在发掘新药的实验中，提供新的标志方式；或是显示细胞在不同情况下，有哪一批基因受到活化等。n 奈米尺度的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的敏感程度，或是有哪些特定的基因在病人的癌细胞中出现突变。将人造移植物表面作奈米尺度的修正，将可增进其耐用度及生

4、物兼容性。有朝一日，可以加强生物医学检验的速度及能力，好比说在微量的样本中，筛选出是否有特定基因序列的存在。粉碎过程会使粒子间的相互作用力增加，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。利用类似原子力显微镜当中的悬臂梁，可用来筛选生物样本中是否存在某特定的基因序列。不用多久，微型的机器人就可能在每个人的血管当中巡弋。譬如说，可不可能有奈米大小、又能自我复制的自动机器发起疯来，摧毁了整个生物界？这种技术用于糖尿病和癌症治疗是很有希望的。这种技术用于糖尿病和癌症治疗是很有希望的。它的表面形成了大量的分子基因，可以像钩子一样携带有用的分子

5、。奈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。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。带了磁性奈米粒子的抗体与标的物结合之后，经短暂暴露于磁场之下，将造成这些探针集体放出强烈的磁性讯号。树状体当中藏有许多内在空间，被看好是输送药物的工具有朝一日，可以加强生物医学检验的速度及能力，好比说在微量的样本中，筛选出是否有特定基因序列的存在。至于没有与标的物结合的抗体，则会朝不同的方向打转，而不会产生讯号。尽管原因尚不明

6、确，所观察的特点是越大效果越好。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。根据前年的科学（Science）杂志也报导，由美国科学家蒙提马罗（C.n 在美国国家奈米先导计划的目标或重要挑战之中，列出了一系列疾病检验、诊断及治疗的未来改善之道。n 这些目标还包括了对视觉及听觉的最新辅助之道、对疾病感染及药物反应的快速检测，以及帮忙发现问题（包括初期的癌症、感染或心脏毛病），并将讯息传递给外界接收器，或是可以当场进行修补的微型器械；不过这些目标当中，许多离实现还有相当长的一段距离。n 改良式或全新的对比剂，将可在疾病更早期也更容易治疗的阶段即发现问题。譬如说

7、，可以找出只有几个细胞大小的肿瘤。n 奈米颗粒可将药物送到特定的目标，包括一般药物不容易抵达之处。n 举例来说，与肿瘤产生结合的金质奈米壳（圆球型），经由红外光照射后加热变形，就释放出摧毁肿瘤的药物。n 将人造移植物表面作奈米尺度的修正，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的人工髋关节，可能与周围的骨头产生比一般更紧密的结合，而防止松脱。n 有朝一日，可以加强生物医学检验的速度及能力，好比说在微量的样本中，筛选出是否有特定基因序列的存在。n 带了磁性奈米粒子的抗体与标的物结合之后，经短暂暴露于磁场之下，将造成这些探针集体放出强烈的磁性讯号。至于没有与标的物结合的抗体，

8、则会朝不同的方向打转，而不会产生讯号。因此无需经过清洗的步骤将未结合的抗体除去，就可直接读出结果。n 许多侦测是否有某分子或病原菌存在的检验法，都是利用抗体与标的物结合的方式达成。n 接有短链DNA的金质奈米粒子，可以测定样本中是否有某基因序列（黑色）的存在。n 溶液中的一组金粒子上接了与标的序列前半段互补的DNA（红色），另一组粒子则带有与标的序列后半互补的DNA（蓝色）。n 如果样本中的确存有该基因序列，将会与两种金粒子上头携带的DNA触手相结合，形成密集的网状结构，把金粒子给固定住。这种金粒子聚集成块的现象，将造成溶液变色（从红变蓝）。美国国家实验室的研究员Micheal Wisz便做了

9、一个奈米锥型装置，发挥芯片实验室的功能，它可以在血流中进行巡航探测，当遇到病毒或是细菌类型的外来侵入者，例如艾滋病细胞，便予以歼灭。这种技术用于糖尿病和癌症治疗是很有希望的。树状体当中藏有许多内在空间，被看好是输送药物的工具所以，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。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，并计划装上一个智慧化的传感器，使它可以适时和适量地释放药物。每个悬臂梁表面接上可与一特定标的序列相接的DNA分子，然后加入生物样本。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和细菌类型的外来入侵者，并予以

10、歼灭，从而消除传染性疾病。根据前年的科学（Science）杂志也报导，由美国科学家蒙提马罗（C.癌细胞会产生一种明亮的闪光；识别血液异常的生物芯片奈米尺度的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的敏感程度，或是有哪些特定的基因在病人的癌细胞中出现突变。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。利用类似原子力显微镜当中的悬臂梁，可用来筛选生物样本中是否存在某特定的基因序列。将人造移植物表面作奈米尺度的修正，将可增进其耐用度及生物兼容性。Tomalia的方法是把能够与病毒结合

11、的硅铝酸位点覆盖在陷阱细胞(glycodendrimers)表面。不幸的是，病毒竟然有硅铝酸受体钥匙。生医领域的应用与潜力，更因为现今医疗技术无法达到分子修复的水平，而备受瞩目。同时，这些赋形剂在胃肠道中起表面活性剂的作用，也提高了奈米药物颗粒的溶解率。本技术能以每秒2000次完成生物体内活细胞的动态影像，观察活细胞的动态，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。至于没有与标的物结合的抗体，则会朝不同的方向打转，而不会产生讯号。n 装有不同颜色量子点（奈米半导体）的乳胶粒，具有成为特殊标签的潜力，可以用在任何数量的各种探针上。经光线

12、照射后，这些珠粒将放出颜色及强度都不同的特定光谱，好似光谱条形码一般，可供辨识（由此也可得知，与之相接的探针为何）。n 利用类似原子力显微镜当中的悬臂梁，可用来筛选生物样本中是否存在某特定的基因序列。n 每个悬臂梁表面接上可与一特定标的序列相接的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；虽然弯曲的幅度不大，但足以显示样本中具有特定的标的分子。n 生医领域的应用与潜力，更因为现今医疗技术无法达到分子修复的水平，而备受瞩目。n 透过奈米医学，可以利用分子工具和人体的分子知识，改善整个人类的生命系统，举凡修复畸变的基因、扼杀刚刚萌芽的癌细胞、捕捉侵入人体

13、的病毒n 奈米技术的最大诱惑，就在于可以使一些分子免于触发免疫系统反应。n 美国密西根大学的科学家詹姆斯、贝克（JamesR.BakerJr）等人研究出一种树状的奈米级的合成分子，称之为树状聚合物（dendrimers）。它的表面形成了大量的分子基因，可以像钩子一样携带有用的分子。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，成为良好的输送载体。n 奈米技术与医学的结合，提供医学界另一种新的思路，奈米药物的传输也成为专家们努力的指标。以现阶段来说，半数以上的新药有不易溶解和吸收的问题，未来势必得缩小药物的颗粒尺度和提高药物利用率。这种只有分子大小、每秒能转动三、四次转轴，未来能启

14、动微型化学装置的马达，这些混制药物的装置被注射人体后，将进入癌细胞增生处，不会影响身体其他器官，避免正常细胞受到伤害，使患者在免于开刀的情况下，可以进到病人的患部进行治疗。最后，还能充当人体内的奈米医生，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的奈米粒子，提高其溶解性。目前的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 根据前年的科学（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的科学家，利用奈米技术制造出生物分子推进器。n 美国国家实验室的研究员Micheal Wisz便做了一个奈

15、米锥型装置，发挥芯片实验室的功能，它可以在血流中进行巡航探测，当遇到病毒或是细菌类型的外来侵入者，例如艾滋病细胞，便予以歼灭。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，特别是在肿瘤萌芽时期就予以歼灭，其精准的效果，外界称它有如生物导弹。奈米医学诊断工具比现在使用的核磁共振精密度，还高出上千倍。n 奈米技术也应用在影像学的诊断上。n 将奈米技术运用到中草药加工，也就是奈米中药微胶囊技术。n 现在中国大陆的西安国家高新技术产业开发区，已通过该产品的技术鉴定，其胶囊微粒平均粒径在19奈米，不但提高吸收率

16、，同时还可以将现有的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。n 再试想一下，吞下一颗胶囊状的检查仪器，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的境界，未来心血管患者，只要吞个胶囊，内装的仪器进入人体后，便自动进行血管脂肪的清除工作，可能不久就不再是梦了！识别血液异常的生物芯片它的表面形成了大量的分子基因，可以像钩子一样携带有用的分子。就算最复杂的生物也是由微小的细胞所构成；不过这些目标当中，许多离实现还有相当长的一段距离。有朝一日，可以加强生物医学检验的速度及能力，好比说在微量的样本中，筛选出是否有特定基因序列的存在。能否在形成致命的肿瘤之前，早期杀

17、灭癌细胞？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。这些目标还包括了对视觉及听觉的最新辅助之道、对疾病感染及药物反应的快速检测，以及帮忙发现问题（包括初期的癌症、感染或心脏毛病），并将讯息传递给外界接收器，或是可以当场进行修补的微型器械；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；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、塑料或玻璃所制的产品。改良式或全新的对比剂，将可在疾病更早期也更容易治疗的阶段即发现问题。陷阱细胞由外壳、内腔和核三部分组成。这种金粒子聚集成块的现象，将造成溶液变色（从红变蓝

18、）。利用奈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。譬如说，可以找出只有几个细胞大小的肿瘤。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。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；这种技术用于糖尿病和癌症治疗是很有希望的。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。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的马达，这些混制药物的装置被注射人体后，将进入癌细胞增生处，不会影响身体其他器官，避免正常细胞受到伤害，使患者在免于开刀的情况下，可以进到病人的患部进行治疗。密西根大学的

19、Donald Tomalia等已经用树形聚合物发展了能够捕获病毒的奈米陷阱。n 智慧药物 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。本技术能以每秒2000次完成生物体内活细胞的动态影像，观察活细胞的动态，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和核磁共振的精密度高出上千倍。n微小探针技术 奈米监测器

20、，可以殖入人体，随血液在体内运行或依不同诊断和监测目的而定位，随时传达生物讯息给体外记录装置。n 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，并计划装上一个智慧化的传感器，使它可以适时和适量地释放药物。n 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。n 美国密西根大学的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的化学特征(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。n

21、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。n 奈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。n 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。n 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。

22、n 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。n 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，也提高了奈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。n 可将药物颗粒转变成稳定的奈米粒子，同时提高溶解性，以提高难溶性药物的药效率。n 粉碎过程会使粒子间的相互作用力增加，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。n 奈米医学将给医学

23、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。n 利用奈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。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，同样的方法期望用于捕获类似艾滋病病毒等更复杂的病毒。n 密西根大学的Donald Tomal

24、ia等已经用树形聚合物发展了能够捕获病毒的奈米陷阱。n 此奈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。n 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

25、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。溶液中的一组金粒子上接了与标的序列前半段互补的DNA（红色），另一组粒子则带有与标的序列后半互补的DNA（蓝色）。根据前年的科学（Science）杂志也报导，由美国科学家蒙提马罗（C.有朝一日，可以加强生物医学检验的速度及能力，好比说在微量的样本中，筛选出是否有特定基因序列的存在。按目前的认识，有半数以上的新药存在溶解和吸收的问题。过去36年来，在愈来愈小的尺度上制造复杂器械的努力，已有大幅的进展，也让不少人相信，类似该影片的医学介入方法是可行的；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

26、。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。生医领域的应用与潜力，更因为现今医疗技术无法达到分子修复的水平，而备受瞩目。当病毒结合到陷阱细胞表面，就无法再感染人体细胞了。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奈米陷阱。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。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的马达，这些混制药物的装置被注射人体后，将进入癌细胞增生处，不会影响身体其他器官，避免正常细胞受到伤害，使患者在免于开刀

27、的情况下，可以进到病人的患部进行治疗。这种金粒子聚集成块的现象，将造成溶液变色（从红变蓝）。根据前年的科学（Science）杂志也报导，由美国科学家蒙提马罗（C.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。在美国国家奈米先导计划的目标或重要挑战之中，列出了一系列疾病检验、诊断及治疗的未来改善之道。将奈米技术运用到中草药加工，也就是奈米中药微胶囊技术。奈米尺度的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的敏感程度，或是有哪些特定的基因在病人的癌细胞中出现突变。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。n 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艾滋病的细胞。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。