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纳米生物学

    纳米生物学主要包含两个方面:
    一,利用新兴的纳米技术来解决研究和生物学问题;
    二,利用生物大分子制造分子器件,模仿和制造类似生物大分子的分子机器。纳米科技的最终目的是制造分子机器,而分子机器的启发来源于生物体系中存在的大量的生物大分子,它们被费曼等人看作是自然界的分子机器。从这个意义上说,纳米生物学应该是纳米科技中的一个核心领域。

  利用DNA和某些特殊的蛋白质的特殊性质,有可能制造出分子器件。目前研究的热点在分子马达、硅-神经细胞体系和DNA相关的纳米体系与器件。利用纳米技术,人们已经可以操纵单个的生物大分子。操纵生物大分子,被认为是有可能引发第二次生物学革命的重要技术之一。




在生物和医学上的应用 
    纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红血球小得多,这就为生物学研究提供了一个新的研究途径,即利用纳米微粒进行细胞分离、细胞染色及利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等。关于这方面的研究现在处于初始阶段,但却有广阔的应用前景。

细胞分离 
    生物细胞分离是生物细胞学研究中一种十分重要的技术,它关系到研究所需要的细胞标本能不能快速获得的关键问题。这种细胞分离技术在医疗临床诊断上有广阔的应用前景。例如,在妇女怀孕8星期左右,其血液中就开始出现非常少量的胎儿细胞,为判断胎儿是否有遗传缺陷,过去常常采用价格昂贵并对人身有害的技术,如羊水诊断等。用纳米微粒很容易将血样中极少量胎儿细胞分离出来,方法简便,价钱便宜,并能准确地判断胎儿细胞是否有遗传缺陷。美国等先进国家已采用这种技术用于临床诊断。癌症的早期诊断一直是医学界急待解决的难题。美国科学家利贝蒂指出,利用纳米微粒进行细胞分离技术很可能在肿瘤早期的血液中检查出癌细胞,实现癌症的早期诊断和治疗。同时他们还正在研究实现用纳米微粒检查血液中的心肌蛋白,以帮助治疗心脏病。纳米细胞分离技术将给人们带来福音。以往的细胞分离技术主要采用离心法,利用密度梯度原理进行分离,时间长效果差。80年代初,人们开始利用纳米微粒进行细胞分离,建立了用纳米SiO2微粒实现细胞分离的新技术。其基本原理和过程是:先制备SiO2纳米微粒,尺寸控制在15~20nm,结构一般为非晶态,再将其表面包覆单分子层,包覆层的选择主要依据所要分离的细胞种类而定,一般选择与所要分离细胞有亲和作用的物质作为附着层。这种Si02纳米粒子包覆后所形成复合体的尺寸约为30nm。第二步是制取含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液,适当控制胶体溶液浓度。第三步是将纳米SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中,再通过离心技术,利用密度梯度原理,使所需要的细胞很快分离出来。此方法的优点是: 
   1.易形成密度梯度。纳米包覆体尺寸约30nm,因而胶体溶液在离心作用下很容易产生密度梯度. 2.易实现纳米Sio2粒子与细胞的分离。这是因为纳米SiO2微粒是属于无机玻璃的范畴性能稳定,一般不与胶体溶液和生物溶液反应,既不会沾污生物细胞,也容易把它们分开。

细胞内部染色 
    细胞内部的染色对用光学显微镜和电子显微镜研究细胞内各种组织是十分重要的一种技术。它在研究细胞生物学中占有极为重要的作用。细胞中存在各种器官和细丝。器官有线粒体、核和小胞腔等。细丝主要有三种,直径约为6—20nm。它们纵横交错在细胞内构成了细胞骨骼体系,而这种组织保持了细胞的形态,控制细胞的变化、运动、分裂、细胞内器官的移动和原生质流动等。未加染色的细胞由于衬度很低,很难用光学显微镜和电子显微镜进行观察,细胞内的器官和骨骼体系很难观察和分辨,为了解决这一问题,物理学家已经发展了几种染色技术。如荧抗体法、铁蛋白抗体法和过氧化物酶染色法等,目的是提高用光学显微镜和电子显微镜观察细胞组织的衬度。随着细胞学研究的发展,要求进一步提高观察细胞内组织的分辨率,这就需要寻找新的染色方法。纳米微粒的出现,为建立新的染色技术提供了新·的途径。最近比利时的德梅博士等人采用乙醚的黄磷饱和溶液、抗坏血酸或者柠檬酸钠把金从氯化金酸(HAuCl‘)水溶液中还原出来形成金纳米粒子,粒径的尺寸范围是3—40nm。接着制备金纳米粒子—抗体的复合体,具体方法是将金超微粒与预先精制的抗体或单克隆抗体混合。这里选择抗体的类型是制备复合体的重要一环,不同的抗体对细胞内各种器官和骨gS组织敏感程度和亲和力有很大的差别。我们可以根据这些差别制备多种金纳米粒子—抗体的复合体,而这些复合体分别与细胞内各种器官和骨骼系统相结合,就相当于给各种组织贴上了标签。由于它们在光 学显微镜和电子显微镜下衬度差别很大,这就很容易分辨各种组织。这就是利用纳米粒子进行细胞染色技术。

    大量研究表明,纳米微粒与抗体的结合并不是共价键而是弱库仑作用的离子键,因此制造稳定的复合体工艺比较复杂,但选 择适当条件是可以制造多种纳米微粒一抗体的稳定复合体。细胞染色的原理与金属金的超微粒子光学特性有关。一般来说,超微粒子的光吸收和光散射很可能在显微镜下呈现自己的特征颜色,由于纳米微粒尺寸小,电子能级发生分裂,能级之间的间距与粒径大小有关,由于从低能级的跃迁很可能吸收某种波长的光,纳米微粒的庞大比表面中原子的振动模式与颗粒内部不同,它的等离子共振也会产生对某种波长的光的吸收,纳米粒于与抗体之间的界面也会对某种波长光的吸收产生影响。由于上述几种原因,

    金纳米粒子—抗体复合体在白光或单色光照射下就会呈现某种特定的颜色。实验已经证实,对10nm直径以上的金纳米粒子在光学显微镜的明场下可观察到它的颜色为红色。

表面包敷的磁性纳米粒子在药物上的应用 
    磁性纳米粒子表面涂覆高分子,在外部再与蛋白相结合可以注入生物体中,这种技术目前尚在实验阶段,已通过了动物临床 实验。这种载有高分子和蛋白的磁性纳米粒子作为药物的载体,然后静脉注射到动物体内(小鼠、白兔等),在外加磁场2125)4 10’/冗(A/m)下通过纳米微粒的磁性导航,使其移向病变部位,达到定向治疗的目的。这就是磁性超微粒子在药物学应用的基本原理。

    这里最重要的是选择一种生物活性剂,根据癌细胞和正常细胞表面糖链的差异,使这种生物活性剂仅仅与癌细胞有亲和力而对正常细胞不敏感,表面包覆高分子的磁性纳米微粒载有这种活性剂就会达到治疗的目的。动物临床实验证实,带有磁性的纳米微粒是发展这种技术的最有前途的对象(纯金屑N5、Co磁性纳米粒子由于有致癌作用,不宜使用), 例如10—50nm的Fe3o4的磁性粒子表面包覆甲基丙烯酸,尺寸约为200nm,这种亚微米级的粒子携带蛋白、抗体和药物可以用于癌症的诊断和治疗。这种局部治疗效果好,副作用少,很可能成为您症的治疗方向。但目前还存在不少的问题,影响这种技术在人体的应用。如何避免包覆的高分子层在生物体中的分解,是今后应该加以研究的问题。

    磁性纳米粒子在分离癌细胞和正常细胞方面经动物临床试验已获成功,显示出了引人注目的应用前景。我们知道,癌症、肿瘤手术后要进行放射性辐照,以杀死残存的癌细胞,但与此同时大面积辐照也会使正常细胞受到伤害,尤其是会使对生命极端重要的具有造血功能和免疫系统的骨髓细胞受损害,所以在辐照治疗前将骨髓抽出,辐照后再重新注入,但在较多的情况下癌细胞已扩散到骨助中,因此在把癌细胞从骨髓液中分离出来是至关重要的,否则将含有癌细胞的骨髓液注回辐照治疗后的骨髓中还会旧病复发。

    利用磁性超微粒子分离癌细胞的技术主要采取约50nm的Fe304‘纳米粒子,包覆聚苯乙烯后直径为3μm,用于小鼠骨髓液中癌细胞分离的实验,具体过程如图4-8所示。首先从羊身上取出抗小鼠Fc抗体(免疫球蛋白),然后与上述磁性粒子的包覆物相结合,如图4-8A所示。将小鼠带有正常细胞和癌细胞的骨髓液取出,加入小鼠杂种产生的抗神经母细胞瘤(尚未彻底分化的癌化神经细胞)单克隆抗体,此抗体只与骨髓液中的癌细胞结合。最后将抗体和包覆层的磁性粒子放入骨髓液中,它只与携带抗体的癌细胞相结合。而利用磁分离装置很容易将癌细胞从骨髓中分离出来,其分离度达99.9%以上。
行了人体骨髓液癌细胞的分离来治疗病患者。