什么是納米生物學

【專家解說】：納米生物學 納米生物學主要包含兩個方面： 一，利用新興的納米技術來解決研究和生物學問題； 二，利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造類似生物大分子的分子機器。納米科技的最終目的是制造分子機器，而分子機器的啟發(fā)來源于生物體系中存在的大量的生物大分子，它們被費曼等人看作是自然界的分子機器。從這個意義上說，納米生物學應該是納米科技中的一個核心領域。 利用DNA和某些特殊的蛋白質的特殊性質，有可能制造出分子器件。目前研究的熱點在分子馬達、硅－神經(jīng)細胞體系和DNA相關的納米體系與器件。利用納米技術，人們已經(jīng)可以操縱單個的生物大分子。操縱生物大分子，被認為是有可能引發(fā)第二次生物學革命的重要技術之一。 在生物和醫(yī)學上的應用 納米微粒的尺寸一般比生物體內(nèi)的細胞、紅血球小得多，這就為生物學研究提供了一個新的研究途徑，即利用納米微粒進行細胞分離、細胞染色及利用納米微粒制成特殊藥物或新型抗體進行局部定向治療等。關于這方面的研究現(xiàn)在處于初始階段，但卻有廣闊的應用前景。 細胞分離 生物細胞分離是生物細胞學研究中一種十分重要的技術，它關系到研究所需要的細胞標本能不能快速獲得的關鍵問題。這種細胞分離技術在醫(yī)療臨床診斷上有廣闊的應用前景。例如，在婦女懷孕8星期左右，其血液中就開始出現(xiàn)非常少量的胎兒細胞，為判斷胎兒是否有遺傳缺陷,過去常常采用價格昂貴并對人身有害的技術，如羊水診斷等。用納米微粒很容易將血樣中極少量胎兒細胞分離出來，方法簡便，價錢便宜，并能準確地判斷胎兒細胞是否有遺傳缺陷。美國等先進國家已采用這種技術用于臨床診斷。癌癥的早期診斷一直是醫(yī)學界急待解決的難題。美國科學家利貝蒂指出，利用納米微粒進行細胞分離技術很可能在腫瘤早期的血液中檢查出癌細胞，實現(xiàn)癌癥的早期診斷和治療。同時他們還正在研究實現(xiàn)用納米微粒檢查血液中的心肌蛋白，以幫助治療心臟病。納米細胞分離技術將給人們帶來福音。以往的細胞分離技術主要采用離心法，利用密度梯度原理進行分離，時間長效果差。80年代初，人們開始利用納米微粒進行細胞分離，建立了用納米SiO2微粒實現(xiàn)細胞分離的新技術。其基本原理和過程是：先制備SiO2納米微粒，尺寸控制在15～20nm，結構一般為非晶態(tài)，再將其表面包覆單分子層，包覆層的選擇主要依據(jù)所要分離的細胞種類而定，一般選擇與所要分離細胞有親和作用的物質作為附著層。這種Si02納米粒子包覆后所形成復合體的尺寸約為30nm。第二步是制取含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液，適當控制膠體溶液濃度。第三步是將納米SiO2包覆粒子均勻分散到含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液中，再通過離心技術，利用密度梯度原理，使所需要的細胞很快分離出來。此方法的優(yōu)點是： 1．易形成密度梯度。納米包覆體尺寸約30nm，因而膠體溶液在離心作用下很容易產(chǎn)生密度梯度. 2．易實現(xiàn)納米Sio2粒子與細胞的分離。這是因為納米SiO2微粒是屬于無機玻璃的范疇性能穩(wěn)定，一般不與膠體溶液和生物溶液反應，既不會沾污生物細胞，也容易把它們分開。 細胞內(nèi)部染色 細胞內(nèi)部的染色對用光學顯微鏡和電子顯微鏡研究細胞內(nèi)各種組織是十分重要的一種技術。它在研究細胞生物學中占有極為重要的作用。細胞中存在各種器官和細絲。器官有線粒體、核和小胞腔等。細絲主要有三種，直徑約為6—20nm。它們縱橫交錯在細胞內(nèi)構成了細胞骨骼體系，而這種組織保持了細胞的形態(tài)，控制細胞的變化、運動、分裂、細胞內(nèi)器官的移動和原生質流動等。未加染色的細胞由于襯度很低，很難用光學顯微鏡和電子顯微鏡進行觀察，細胞內(nèi)的器官和骨骼體系很難觀察和分辨,為了解決這一問題，物理學家已經(jīng)發(fā)展了幾種染色技術。如熒抗體法、鐵蛋白抗體法和過氧化物酶染色法等，目的是提高用光學顯微鏡和電子顯微鏡觀察細胞組織的襯度。隨著細胞學研究的發(fā)展，要求進一步提高觀察細胞內(nèi)組織的分辨率，這就需要尋找新的染色方法。納米微粒的出現(xiàn)，為建立新的染色技術提供了新·的途徑。最近比利時的德梅博士等人采用乙醚的黃磷飽和溶液、抗壞血酸或者檸檬酸鈉把金從氯化金酸(HAuCl‘)水溶液中還原出來形成金納米粒子，粒徑的尺寸范圍是3—40nm。接著制備金納米粒子—抗體的復合體，具體方法是將金超微粒與預先精制的抗體或單克隆抗體混合。這里選擇抗體的類型是制備復合體的重要一環(huán)，不同的抗體對細胞內(nèi)各種器官和骨gS組織敏感程度和親和力有很大的差別。我們可以根據(jù)這些差別制備多種金納米粒子—抗體的復合體，而這些復合體分別與細胞內(nèi)各種器官和骨骼系統(tǒng)相結合，就相當于給各種組織貼上了標簽。由于它們在光 學顯微鏡和電子顯微鏡下襯度差別很大，這就很容易分辨各種組織。這就是利用納米粒子進行細胞染色技術。 大量研究表明，納米微粒與抗體的結合并不是共價鍵而是弱庫侖作用的離子鍵，因此制造穩(wěn)定的復合體工藝比較復雜，但選 擇適當條件是可以制造多種納米微粒一抗體的穩(wěn)定復合體。細胞染色的原理與金屬金的超微粒子光學特性有關。一般來說，超微粒子的光吸收和光散射很可能在顯微鏡下呈現(xiàn)自己的特征顏色，由于納米微粒尺寸小，電子能級發(fā)生分裂，能級之間的間距與粒徑大小有關，由于從低能級的躍遷很可能吸收某種波長的光，納米微粒的龐大比表面中原子的振動模式與顆粒內(nèi)部不同，它的等離子共振也會產(chǎn)生對某種波長的光的吸收，納米粒于與抗體之間的界面也會對某種波長光的吸收產(chǎn)生影響。由于上述幾種原因， 金納米粒子—抗體復合體在白光或單色光照射下就會呈現(xiàn)某種特定的顏色。實驗已經(jīng)證實，對10nm直徑以上的金納米粒子在光學顯微鏡的明場下可觀察到它的顏色為紅色。 表面包敷的磁性納米粒子在藥物上的應用 磁性納米粒子表面涂覆高分子，在外部再與蛋白相結合可以注入生物體中，這種技術目前尚在實驗階段，已通過了動物臨床 實驗。這種載有高分子和蛋白的磁性納米粒子作為藥物的載體，然后靜脈注射到動物體內(nèi)(小鼠、白兔等)，在外加磁場2125)4 10’／冗(A／m)下通過納米微粒的磁性導航，使其移向病變部位，達到定向治療的目的。這就是磁性超微粒子在藥物學應用的基本原理。 這里最重要的是選擇一種生物活性劑，根據(jù)癌細胞和正常細胞表面糖鏈的差異，使這種生物活性劑僅僅與癌細胞有親和力而對正常細胞不敏感，表面包覆高分子的磁性納米微粒載有這種活性劑就會達到治療的目的。動物臨床實驗證實，帶有磁性的納米微粒是發(fā)展這種技術的最有前途的對象(純金屑N5、Co磁性納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，尺寸約為200nm，這種亞微米級的粒子攜帶蛋白、抗體和藥物可以用于癌癥的診斷和治療。這種局部治療效果好，副作用少，很可能成為您癥的治療方向。但目前還存在不少的問題，影響這種技術在人體的應用。如何避免包覆的高分子層在生物體中的分解，是今后應該加以研究的問題。 磁性納米粒子在分離癌細胞和正常細胞方面經(jīng)動物臨床試驗已獲成功，顯示出了引人注目的應用前景。我們知道，癌癥、腫瘤手術后要進行放射性輻照，以殺死殘存的癌細胞，但與此同時大面積輻照也會使正常細胞受到傷害，尤其是會使對生命極端重要的具有造血功能和免疫系統(tǒng)的骨髓細胞受損害，所以在輻照治療前將骨髓抽出，輻照后再重新注入，但在較多的情況下癌細胞已擴散到骨助中，因此在把癌細胞從骨髓液中分離出來是至關重要的，否則將含有癌細胞的骨髓液注回輻照治療后的骨髓中還會舊病復發(fā)。 利用磁性超微粒子分離癌細胞的技術主要采取約50nm的Fe304‘納米粒子，包覆聚苯乙烯后直徑為3μm，用于小鼠骨髓液中癌細胞分離的實驗，具體過程如圖4-8所示。首先從羊身上取出抗小鼠Fc抗體(免疫球蛋白)，然后與上述磁性粒子的包覆物相結合，如圖4-8A所示。將小鼠帶有正常細胞和癌細胞的骨髓液取出，加入小鼠雜種產(chǎn)生的抗神經(jīng)母細胞瘤(尚未徹底分化的癌化神經(jīng)細胞)單克隆抗體，此抗體只與骨髓液中的癌細胞結合。最后將抗體和包覆層的磁性粒子放入骨髓液中，它只與攜帶抗體的癌細胞相結合。而利用磁分離裝置很容易將癌細胞從骨髓中分離出來，其分離度達99．9％以上。 行了人體骨髓液癌細胞的分離來治療病患者。