纳米技术在医学的应用

纳米技术与医学

——癌症的诊断和治疗

数理学院数学与应用数学 20101000664 周虎

纳米技术的正式定义是指一些设备，本身或其关键部分是人工的，至少在某个方向上是1~100nm范围。与癌症相关的纳米技术设备可以是注射的纳米载体；生物靶向性的纳米造影剂，用于手术中显像以区别神经—肿瘤的相互关系；也可以是高度特异检测DNA和蛋白质的磁性纳米粒子。Whitesides[3]在其纳米技术的定义中，对确切的大小没有过分限制，从生物学需要考虑，更强调生物纳米尺寸在实际操作中的合适性。

癌症纳米技术的应用

纳米技术的应用包括：早期诊断，如对血标本进行蛋白组分析；其次，在体内对肿瘤的演化过程进行分析或分子显像；提高药物治疗的靶向性，避开体内的生物或生理学屏障；对治疗效果进行实时监测，替代治疗后的随访评估。

1 体内癌症生物标志的检测和监测

新的影像学技术使用的造影剂上结合有分子识别物质或靶向性药物（抗体），具有信号增强作用，可以检测更微小更早期的癌细胞。

近来证实，亲淋巴的顺磁性纳米粒子，可对前列腺癌的隐性淋巴结转移进行MRI显像，这为非侵袭性方法难以发现。Meta分析显示[8]，使用纳米粒子造影的MRI对多种癌症的淋巴结转移的诊断具有很高的特异性（96%）和敏感性（88%）。Kobayashi等[9]在乳腺癌小鼠中使用钆纳米载体——聚合状的树状体（dendrimers）可以清晰显示淋巴结和淋巴管的排泄，提示在临

床上可以替代前哨淋巴结活检。双峰纳米粒子，携带有近红外的肉眼可见的荧光基团，与MRI造影剂（交联氧化铁）共价结合，可以用于手术前脑肿瘤轮廓的描绘和手术中的病变显示。交联氧化铁纳米粒子与annexin?鄄Y共价结合，用于MRI可识别喜树碱诱导T细胞的凋亡。使用生物精确纳米粒子，端粒酶活性（增殖潜能的标志）也可以在细胞水平由MRI检测。

持续血管生成发生于癌前病变中，是早期诊断中的重要标志。在动物模型中使用改良纳米粒子，以ανβ3?鄄integrin为靶点，可以对血管形成进行了MRI显像。另一个体内分子检测的是植入性传感器，体外设备进行信号接收，但植入性材料存在非特异性吸附血清蛋白——生物污垢，导致传感器对蛋白检测能力迅速下降。

2 体外癌症生物标志分子的早期精确检测

临床使用的一些癌症分子标志，如CEA、PSA，由于特异性不是很好，限制其应用于早期诊断。有几个纳米技术是很合适的侯选者，如纳米悬臂，检测蛋白组的SELDI?鄄TOF质谱分析。

生物分子的结合会产生压力和形变[10]，使用合适的选择性纳米结构传感器可以进行检测和识别。主要的例子是微米和纳米悬臂，当其表面发生核酸杂交、分子结合事件，其共振频率会发生偏斜和改变。此偏斜或者直接被激光束探测，或者偏斜转换成可以测量的物理特征，如共振频率发生改变，见图1。值得提出的是，将成千上万个纳米悬臂阵列集成在厘米大小的芯片上，这样可以同时读码蛋白组信息，甚至整个蛋白组。此技术与微电子制作技术存在相同之处，因此提示可以大规模的，低成本可靠的生产。

纳米悬臂、纳米导线和纳米管的阵列是可以将癌症的诊断、预后和治疗的选择从单个生物标志向多个生物标志转化的工具。

此外，携带荧光基团的硅珠已经用于白血病细胞的检测；在人类SY5Y成神经细胞瘤和C6胶质细胞瘤中，荧光纳米粒子可以检测细胞内的钙浓度——细胞死亡的有效标志，因此可定量测量细胞对药物的反应。

纳米粒子比传统的细胞染色方法具有稳定性和可调性的优势。如量子点不会随时间丢失其信号强度，即不存在光漂白作用；而且，偶联不同抗体的纳米粒子与对应的分子靶向性结合后，可以显示不同的颜色 [11]。即使进行单波长光照射，单个细胞或细胞群中的分子标志分布地图将准确而清晰的显示。

纳米粒子已经用于血清蛋白组的检测，重点是痕量的低分子量蛋白水解片段，应用于卵巢癌和其他肿瘤。SELDI?鄄TOF蛋白组分析使用纳米粒子后，可增加单位面积的蛋白吸附能力，进行更多不同样本的分离和检测。

目前已经开始联合使用多个纳米诊断技术。如改良的寡聚核苷酸—金纳米磁性粒子具有500个zepto摩尔（zepto=10-21）的敏感性，用于核酸的检测。因不需要酶扩增，具有超过PCR的优势，而且也用于蛋白质分析[12]。更进一步的方法是改良金纳米粒子探针，与微悬臂结合，可以分析DNA的单个碱基错配。

3 药物的靶向性治疗

将具有识别功能的物质（如抗体）与纳米载体结合，使含有活性药物的纳米载体具有分子靶向性功能。与传统的抗体引导的治疗相比，分子靶向性纳米载体至少具有4大优势：在每个靶向性生物识别过程中，可以携带更多

有效治疗负荷；能携带多个不同的靶向性药物，增强选择性；能够以整体的方法通过生物屏障；局部可以投给多种药物，导致靶向性的联合治疗。

通过叶酸介导的靶向性纳米粒子已经在移植鼻咽癌的裸鼠的治疗中得到证实。多功能纳米材料——树状多聚体在胞内与叶酸靶向性结合后，选择性的在细胞内投递抗癌药物甲氨蝶呤[13]；若将荧光素结合到纳米载体则可提供可视的影像信号。多种抗原已用于引导纳米粒子识别血管内皮细胞。如将存在于内皮细胞的ανβ3?鄄integrin与全碳氟纳米乳液结合，用于小鼠模型中结肠腺癌和黑色素瘤的抗血管治疗。目前，已将靶向性溶解血管内皮细胞和化疗药物相结合的纳米粒子开发出来，并可以明显提高治疗效果，减少副作用[14]。

另一类靶向性方法由外部能量驱动，激活局部毒性反应。如使用聚焦超声爆破的脂质包裹微囊进行光动力学治疗；通过联合使用金纳米壳和近红外线光学激活，对深层的癌细胞进行局部热消融。其次，非特异的物理化学相互作用也会提高纳米载体的靶向性，如100nm的粒子更趋向于达到内皮细胞的末梢；比此尺寸更大或更小均导致靠边，因此使治疗的药物更容易到达内皮或组织部位。对pH敏感的多聚纳米载体可以生物分解而释放出抗癌药物紫杉醇，所以肿瘤部位特殊的pH水平使治疗作用优先得到靶向性激活[15]。将来的希望是将上述靶向性方法联合起来，使之在治疗上取得最大成功。

获得和维持药物理想的生物分布，需要精确的给药剂量和时间。植入体内的纳米胶囊，没有多次注射和医院使用的不方便，还可以预先编程，使投递具有时间变化规律，或者通过传感器对植入点的微环境刺激作出自调节的