纳米技术在生物学与医学领域中的应用.txt

1、第 27卷第 2期 湘潭师范学院学报 (自然科学版 ) Vol. 27 No.2 2005年 6月Journal of Xiangtan Normal University(Natural Science Edition) J un. 2005纳米技术在生物学与医学领域中的应用 X李会东 (湖南科技大学化学化工学院 ,湖南湘潭 411201)中图分类号 :TQ03 ,Q81 文献标识码 :A 文章编号 :1671 -0231(2005)02 -0049 -03摘 要 :以生物学为中心 ,结合物理 ,化学和生物技术等学科发展起来的纳米生物技术目前已成为国际研究的前沿和药物载体及疾病诊断等领域的研

2、究与应用。基因载体热点问题。综述了纳米技术在生物材料、生物芯片、纳米探针、基因 /关键词 :纳米生物技术 ;纳米生物材料 ;生物芯片 ;纳米探针 ;药物、纳米技术(Nanotechnology)是指在纳米尺度范围内,操纵原子、组合,创造具有特定功能的新物质的科学技术。纳米生物技术是纳米技术和生物技术相结合的产物,它 分子 原子 、分子 , 它 新 以用 生物医学 , 以 子学、材料科学以及 会 。 分子 具有 功能的和体 , 点在生物学领域有 以 。 20 80年currency1研究的纳米技术在 90年“了fi展。fl国、 、国等已纳米生物技术为 21的科研 目以 点发展。国纳米生物技术的发

3、展与fi国”相 ,起 , 期 863了国”纳米 , 863 纳米生物技术 为题目以 发展。纳米生物技术在新 期 技术、生物医学、 科学、自化技术及能 科学的发展 , 大的 类的生 , 、 、 、医 等 。 前纳米生物技术要 中应用在以 :生物标 1、药物与基因载体 2、病原 和 质等的 3、DNA探针 4、组 工 5、 与生物分子的分与 化 6、生物 药、 子学、材料学和医学诊断等。在 纳米生物技术在生物学与医学 的研究应用。 1 在生物学 的应用 1. 1 纳米生物材料纳米生物材料分为两类 : 类是适合 生物体内应用的纳米材料 ,它身 以是具有生物 , 以不具有生物 ,而仅仅是易 被生物体接

4、受 ,而不引起不良反应。另 类是利用生物分子的特而发展的新型纳米材料 ,它 能不再被应用 生物体 ,而被用 纳米技术 微 造业。生物体 所具有的独特能力 用来控 无机晶体的结构、相态、取和纳米结构拓扑学。最近 ,研究 currency1生物识别的原理用在 子、半导体和磁材料 。组合噬 体展示技术已经用 识别能够结合到 2、 2、类半导体 (如 ZnSe、GaAs) 以及能够结合到磁材料以及碳酸钙和磷酸盐 去的肽类。生物大分子的 特和 识别部分都能够用来构建非 精 的纳米导线。现有的算机芯片的特征尺寸 (250 nm)要受印刷和蚀刻剂的 限大小决定。如果能够设出分子规模 的 和定位的合适原型 ,

5、那么芯片的大小 以减小到 纳米。近来 ,科学” 过在 DNA的表覆盖金属原子的培植法 ,合成了导 的 DNA链。 Jeremy Lee等 发现 过 pH值的适 调控 ,DNA 以稳定地锌、钴、镍等金属子并入 双螺旋中心 ,并找到了在高 pH值等基条件 ,稳定 DNA含有金属子的状态 ,并仍然保选择地结合 分子的能力 ,由此“了新的 DNA导 体。 1. 2 生物芯片技术生物芯片是在很小 何尺度的表积 , 种 成 种生物 ,仅用微量生理 生物采样即以同时 和研究不同的生物 、生物分子和 DNA的特以及它 的相互用 ,从而“生 微 的规 。分为 质芯片和基因芯片 (即 DNA芯片 )等 类 ,都有

6、 成、并 和 的 点 , X 期 :2004-11-25 :李会东 (1974-) , ,内 , 生 , ,研究 :现微生物技术。发展的最 目标是 样 、生化反应到分 的 过 成化以“所 的微型 分 。 (1) 质芯片是 种在高 度的 含有 种微量 化的 ,并能够高 量地定 质的生物 ,以及 质与生物大分子的相互用。由 质芯片具有高 量、微型化及自化等 点 ,所以 技术已经 被引入到 质组学研究 来。 (2)基因芯片 为 DNA芯片 ,它是 DNA双螺旋原理发展起来的酸链分子 的技术 : 已的 DNA (探针 )和的酸currency1 的 以有currency1的 “定到芯片 , 过 PCR

7、技术 量fi大 ,再与标fl的另 fi 。 标fl的 在 DNA芯片 发现互 currency1 时即发生 , 的结果以和模识别分 来 。 DNA芯片技术 以 分 大量的基因 。 1. 3 纳米探针 )组 在 工双分子 质 ,在两 ” ,同时在 用 链的 DNA RNA分子 过 115 nm的子 ,由 不同 基理化特不同以及 内 分 子 量的 非 ,因而在酸链 过 的过 中 基currency1 的不同以fl到 时 的不同。 是 种 新的纳米探技术 ,目前的 度已经到 1 基。 纳米探针 种探 的纳米 ,探 尺寸仅为纳米量 , 它 入 时 , 探会导 的 期 DNA 。 Tuan Vo -Di

8、nh和 的同 研究了高选择和高 的纳米 以用 探以 控 的 质和 的 生物化学物质。此 以探基等 很 化学物质 减小,由 金 的表等子体 ,体 的 从 成 。 种 法 病原体 而 。Kasianoviez等 种 的子 (-在 中 ,链和互 基currency1 结合 成最 现定 的 状 。因表和 的 生成 ,用 选微量药物 ,以 定那种药物能够最有地 内 病 的 。纳米技术的fi ,Elghanian13 nm的金微 DNA链 ,DNADNA链的 , 中的微 距2 在医学中的应用 2. 1 纳米 子为药物、基因载体 1)磁纳米 子载体的应用。 前药物载体的研究热点是磁纳米颗 ,特别的顺磁 超顺

9、磁的铁氧体纳米颗 在外磁的用 ,温度升高到 4045时 到杀死 的目的。国学报了含有 75 %80 %铁氧化物的超顺磁 糖纳米 子 (200400 nm)的合成和物理化学质。 它与纳米尺寸的 SiO2相互用 ,提高了颗 基体的强度 ,并fi 了纳米磁颗 在分子生物学中的应用研究。试验了具有 定表的葡聚糖和二氧化硅强的纳米 子。与工业 “的 造磁珠了 :DNA自提 、 质 、分和提 、生物物料中逆转病毒 、内毒清除和磁 分等。张阳等展了磁纳米 治 肝癌的研究 ,研究内容包括磁阿霉 纳米 在正 肝的磁、在大鼠体内的分以及 大鼠移植肝癌的治 果等。结果表明 ,磁阿霉 纳米 具有高的磁 ,在大鼠移植肝

10、 中的聚 明 ,而且 移植 有很好的 。娟娟等采用葡聚糖包覆的氧化铁纳米颗 为基因载体 ,发现 表现出与 DNA的结合力和抵抗 DNA的 SE消化。 2)纳米质体载体的应用。质体是 种定时定药物载体 ,属 给药 的 种新剂型。 20 70年初 ,Rahman Y E等在生物研究的基础 ,首次 质体为酶和某 药物的载体。纳米质体为药物载体的 点 : (1)由磷双分子 包封 相囊泡构成 ,与 种“态微球药物载体相区别 ,质体弹大 ,生物相容好 ; (2) 所载药物有广泛的适应 , 药物载入内 相 ,药物 内 ,两亲药物 ,而且同 质体中 以同时包载亲 和疏 药物 ; (3)磷身是 成分 ,因此纳米

11、质体注入体内无毒 ,生物利用度高 ,不引起免疫反应 ; (4)保护所载药物 ,防体 药物的稀释 ,及被体内酶的分解坏。 3)高分子纳米药物载体的应用。纳米药物载体研究的另 热点 是高分子生物降解药物载体 基因载体。高分子生物降解是药物载体 基因载体的 要特征 , 过降解 ,载体与药物 /基因片段定fi入 ,表 的载体被生物降解 ,芯部的药物释fi出来发挥 ,避免了药物在 组 中释fi。 降解高分子纳米药物和基因载体已成为目前恶 诊断与治 研究中 ,研究和发明中超过 60 %的药物 基因片段采用 降解高分子生物材料为载体。 类材料最出的特点是生物降解和生物相容。生物高分子物质 ,如 质、磷、糖

12、、质体、胶原 等 ,利用它 的亲和力与基因片段和药物结合成生物高分子纳米颗 ,再结合 含有 RGD定识别 ,与目标 50 表的整合子结合 药物送fi ,到杀死 发生基因转染的目的。药物纳米载体技术是纳米生物技术的 要发展 , 给恶 、糖尿病和老年痴呆等疾病的治 带来 革。 2. 2 纳米生物技术在外科中的应用 1)在肝癌预防 的应用。某 肝癌高发区 (如东县 )肝癌发病率的地理分与硒含量呈负相关 ,并发现提高农物的硒含量能降低肝癌的发病率。 硒能够有地降低 种 类癌症的发生 ,防治 种因诱发的物 。用纳米技术 的 种含硒的纳米 的元硒 有元硒的低毒 ,同时有高的生物利用 ,急毒仅为亚硒酸钠的

13、1/8 ,为预防肝癌的发生提供了 种新的探索途 。 2)在癌症诊断 的应用。癌症的 期诊断具有分 要的意义。国内学fi 了超顺磁氧化铁超微颗 质体的研究 ,纳米 微颗 应用 医学诊断并成功 , 过物 验证明 ,运用 成果 以发现 小 的功能。研究证 载药纳米 延长药物在中的 均滞留时药 在保证药物用的前提 减少给药剂量身毒副反应的目的。fl国研究了磁运载体3 nm质体和乳剂。载药纳米 因 结构 的特殊而表现出 异的能和 新途 。 包括纳米 、采用化 和fi 。纳米载药 的发为肝癌的化 辟了新的用 肝脏的的肝癌。应用 成果 , 而不能手术。在 种情 ,定期 肝癌高危 群 结果示含有纳米 子氧化铁

14、MRI ,从而到 期诊断的目的。 Mintorovitch等 造 强剂 Resovist Injection(SHU -555A)的 Resovist Injection能明强肝脏的 像 , 期发现新生物。肝癌往往受 位 、 、转移等因,并有 释、控释的用。而且 ,纳米载,具有 送功能 ,因此有 能到减 避免 , 药物导入 ,用磁法 MTCs送并滞留在 体内的 要部位 ,移去磁 MTCs不会 新分。组 病理学结果表明 ,在磁范围内 ,颗 度高。用此法 验了化 药物的 部送。结果表明 , 物体内的 MTCs 地送到肝脏 ,为肝癌的非手术治 提供了科学的 。 3)基因治 的应用。利用纳米生物技术

15、DNA 过用定位 , 质 DNA50200 nm大小且带 负 ,有 的有入 。质 DNA 入目的 , 产生治 因子 (如 肽、 质、抗原等 )。利用生物高分子物质的亲和力与基因片段和药物结合成生物高分子纳米 微米颗 。再利用含有精 酸、 酸、 酸 基酸currency1 的定识别。 与目标 表的整合 结合 药物送fi 到杀死 发生基因转染的目的。纳米技术应用 疾病诊断 , 在医学诊断领域中引发 新的技术革 , 诊断、 技术和医 微型、微 、微量、微创 无创、 、 时、功能和 能化的 发展。纳米生物技术的 发展 , 不仅仅是模 自然 现有的分子组 ,而是 现 入并有目的地控 分子结构和功能 ,在

16、纳米生物大分子fi 研究和操纵。它在医药 生等领域有广泛的应用和明 的产业化前 ,特别是纳米药物载体、纳米生物 和成像技术以及微型 能化医 等 , 在医学 的疾病诊断、疾病的基因治 和 生保 等 发挥 要用。 以预 ,化学、生物学、材料学等领域的不断fi ,纳米生物技术会“到 为广泛和 入的研究。在生物芯片、分子 、生物探针、纳米生物材料等 发展的同时 , 会生出纳米生物技术 它 新领域。文献 : 1 BruchezM,MoronneM, GinP,WeissS,Alivisatos. AP:Semiconductornanocrystalsasfluorescentbiologicallab

17、elsJ. Science 1998 ,281 :2 013 -2 016. 2MahC,ZolotukhinI,FraitesTJ,DobsonJ,BatichC,Byrne. BJ:Microsphere-mediateddeliveryofrecombinantAAVvectorsinvitro and in vivoJ . Mol Therapy, 2000 , 1 :239. 3 Edelstein R L , Tamanaha C R , Sheehan P E , Miller MM , Baselt DR , Whitman LJ , Colton RJ : The BARC

18、biosensor applied to the detectionof biological warfare agents osensorsJ . Bioelectron , 2000 ,14 :805 -813. 4 Mahtab R , Rogers J P , Murphy. CJ : Protein -sized quantum dotluminescence can distinguishbetween“straight”,“bent”, and kinked”oligonucleotides J . J Am Chem Soc , 1995 ,117:9099-9100. 5MaJ,WongH, KongLB,PengKW. BiomimeticprocessingofnanocrystallitebioactiveapatitecoatingontitaniumJ. Nanotech2 nology , 2003 , 14 :619 -623. 6MoldayRS,MacKenzieD. ImmunospecificferromagneticirondextranreagentsforthelabelingandmagneticseparationofcellsJ. J Immunol Methods , 1982 , 52 :353 -367.