文献综述大作业

题目：纳米生物技术在医药方面的应用
学院：化工学院
班级：
姓名：
学号：
2015年10月15 日
纳米生物技术在医药方面的应用
常志帅
(天津大学化工学院天津 300350)
摘要纳米技术是指0.1-100nm的尺度下，研究电子原子和分子的运动规律和特性，并对材料进行加工，制造出特定功能产品的高新技术。

[1]纳米生物技术是纳米技术中一个重要的研究领域，纳米生物技术在医学方面具有广泛的用途，本文就纳米生物技术在医学方面的应用如纳米药物载体，纳米诊断技术，纳米治疗技术和纳米中药等的应用进行了综述。

并对纳米生物技术目前存在的一些问题进行了探讨。

关键词纳米生物技术医学应用
中图分类号: Q819文献标识码：A
The Application of Nanometer Biotechnology in Medicine
ChangZhishuai
(College of chemical engineering, Tianjin University)
Abstract：Nanotechnology refers to the scale of 0.1 to 100 nm researching theregularity and characteristics of electronic movement of atoms and molecules, and process material to create a specific function of new and high technology products. [1] Nano biotechnology is an important field in nanotechnology and Nano biotechnology has extensive use in medicine. In this paper, the application of biotechnology in medicine such as Nano drug carrier, Nano-scale diagnostic technology, nanometer treatment technology and the application of nanometer traditional Chinese medicine and so on were summarized. And some problems of Nano biotechnology currently are discussed in this paper
Key words Nano biotechnology；Medicine；Application
Contents
1.Introduction
2.Nano drug carrier
2.1Magnetic nanoparticle drug carriers
2.2 Mesoporous Silica Nanoparticles
2.3Nano material
3.Nanometer traditional Chinese medicine
4.Nano-scale diagnostic technology
4.1 The background of Nano-scale diagnostic technology
4.2 New ideas of Nano diagnosis
4.3 Research and progress
4.3.1Laser monatomic molecule detection technique
4.3.2Tiny probe technology
4.3.3 Nano cell and quarantine organ
5 Nanometer treatment technology
5.1 Nanometer gene therapy
5.1.1 Virus nanometer carrier
5.1.2 Non-viral gene carriers
5.2 Fluorescence of carbon nanotubes on the basis of tumor targeting therapy
5.3 Heat treatmentOn the basis of gold Nano rods
6. Expectation
1.引言
纳米技术的飞速发展标志着人类认识自然达到了一个新的层次，人类进入了一个崭新的时代-纳米科技时代。

纳米生物技术是纳米技术发展的一个重要分支。

纳米生物技术主要是指在进行生命现象的研究时使用的纳米技术，是生物学与纳米技术的结合，同时涉及了化学量子学和物理学材料学等多门学科的综合性交叉学科。

[2]近年来，将纳米技术应用于医学的研究越来越多，有关纳米生物的技术飞速发展。

因此本文综述了近年来关于纳米生物技术在医学方面的重要应用。

纳米药物载体，纳米诊断技术，纳米治疗技术和纳米中药的应用是其应用的重要组成部分。

2.纳米药物载体
2.1磁性纳米药物载体
磁性纳米粒子（magnetic nanoparticles MNP）是一类智能型的纳米
磁性材料，既具有纳米材料所特有的特性如粒径小，比表面积大偶联容量高，又具有磁响应性和超顺磁性。

可以在恒定磁场下聚磁和定位，在交电磁场作用下吸收电磁波产热。

利用这些特性，磁性纳米粒子可以被应用于药物载体，细胞分离纯化，磁电转染等方面。

[3]Widder[4]等首先提出了磁靶向药物系统
的概念，并开展了载药磁性微粒的研究。

研究表明载药磁性微粒具有高效低毒高滞留
性的优点。

但由于制备的微粒为1 ~3um，可引起血栓样血管栓塞，甚至导致实验动物死亡。

纳米级的磁性微球则可以解决这个问题。

[5]Yanase [6]等制备了带正电的磁性脂质体。

研究发现，此种磁性脂质体更容易吸附､积聚于肿瘤细胞周围。

在静电作用下，它与带负电的肿瘤细胞膜结合能力是中性脂
质体的10倍，表现出很强的物理靶向性｡将小于 100 nm 的磁性脂质体粒子附载表阿霉素后，经静脉注入体内，再在肿瘤部位的皮
肤外提供一个恒定磁场，可使纳米铁粒子定位于靶部位。

磁性Fe3O4作为目前唯一被美国食品和药物管理局(FoodandDrugAdministration,简称FDA)批准应用于临床的磁性纳米材料。

[7]
2.2介孔二氧化硅纳米粒子
介孔二氧化硅纳米粒子(Mesoporous Silica Nanoparticles,简称MSNs)作为纳米药物载体具有独特的结构和显著的性能:巨大的比表面积(> 900m 2·g- 1)和孔体积(> 1cm 3·g- 1),规整的孔道,可调的孔径(2～10nm),易于修饰的内外表面.尤其是近些来,MSNs的表面修饰及功能化取得了突破性进展。

图一[8]
A:功能开关纳米粒子;B:疏水/亲水性客体药物分子;C:刺激响应型分子;D:表面修饰高分子保护层;E:生物成像基团:磁性纳米粒子、量子点或荧光分子;F:靶向分子:如抗体等;G:络合脂质体;H:渗透细胞的多肽类配体;I:诊断标签;J:刺激响应型高分子;K:其他功能基团。

图1 修饰的MSNs药物[8]
Fig.1 Modified MSNs drug carrier [8]
Lu课题组[9]在包覆Fe3O4纳米粒子的MSNs 表面修饰上叶酸和荧光分子罗丹明B,使用DOX作为模型药物研究了这种药物输送系统的载药和释药行为.结果显示这种多功能纳米药物载体载药率为10.5%,并且能够通过磁靶向和叶酸 (Folic Acid Receptor,简称FR)介导靶向来达到靶向治疗的目的,同时
还具有荧光成像的功能。

2.3纳米烯材料
富勒烯及其衍生物作为一种新型含碳
纳米材料,具有抗氧化活性和细胞保护、抗菌活性、抗病毒、药物输送和肿瘤治疗等作用.富勒烯作为药物载体可有效地负载抗癌药物PXL和DOX等。

[10]碳纳米管(Carbon Nanotubes,简称CNTs)是一种极为重要的无机纳米碳材料,它不仅具有独特的中空结构和内外管径,而且具有良好的细胞穿透能力,可用作药物载体。

图二[11]
图2单壁和多壁碳纳米管作为药物载体[11]
Fig.2s tructureofSW CNTsandMW
CNTs,aswellasdrugloadedcarbon nanotubes[11]
但富勒烯本身具有强烈的疏水性,且制备过程中残存的有机溶剂容易引起生物毒性,这些问题已成为其在生物医学领域应用的主
要障碍。

3.纳米中药
中药是中华民族的瑰宝，它为我国的昌盛做出过巨大的贡献。

中药现代化的问题引起了各科学工作者的关注。

中药纳米化是一步卓有成效的探索。

中药被制成粒径 0.1~ 100 nm 大小，其物理、化学和生物学特性可能发生深刻的变化，使活性增强和产生新的药效。

如一般认为单质硒几乎没有生物活性，而纳米硒经研究表明对连续注射 D-半乳糖引起的小鼠免疫失衡和氧化损伤具有
保护作用；碳原子在单体状态下几乎没有生物学效应[12]但由 60个碳形成的纳米级
C60则有抗氧化、抗衰老和细胞保护作用。

以人脐静脉内皮细胞系EV-304作为研究对象,有学者开展了另一类无机砷化合物—雄黄(主含As2S2)对其增殖作用影响的尺寸效应。

研究了不同粒径(≤ 100 nm、150 nm、200 nm、500 nm)的雄黄颗粒对ECV-304细胞存活率、凋亡的影响。

结果表明,对应粒径100~500 nm的雄黄,凋亡率分别为
68.15%,49.62%,7.51%,5.21%。

[13]
将纳米技术引入中药的研究时,必须考虑中药组方的多样性、中药成分的复杂性,例如:中药单味药可分为矿物药、植物药、动物药和菌物药等,中药的有效部位和有效成分又包括无机化合物和有机化合物、水溶性成分和脂溶性成分等。

因此,针对不同的药物,在进行纳米化时必需采用不同的技术路线;此外,还必需考虑中药的剂型。

纳米中药与中药新制剂关系十分密切,如何在中医理论的指导下进行纳米中药新制剂的研究,将中药制成高效、速效、长效、剂量小、低毒、服用方便的现代制剂,也是进行中药纳米化时必需考虑的问题。

4.纳米诊断技术
4.1 背景
癌症已成为人类第二大死因。

目前临床的问题是:肿瘤的诊断与预后分类是建立在临床症状与病理因素基础上,不足以反映肿瘤个体患者临床的全部动态过程,并不能够完全预测肿瘤诊断与治疗效果。

临床绝大多数抗癌制剂仍不能区分癌细胞与正
常细胞,结果导致了系统性的毒性与严重不良反应。

纳米材料具有独特的声、光、电、热、磁和力学性能[14-15]为肿瘤的预警与个性化治疗带来了新的机遇。

4.2 纳米诊断新观点
肿瘤是多种基因参与、多阶段、多途径协同作用的结果,是一种分子信息疾病[16]。

肿瘤干细胞是肿瘤生长、侵袭、转移和复发的根源[17]。

肿瘤的浸润与转移表型能够用一套分子标志物来预测与表征,这就是肿瘤纳米分型(Nano typing)的概念[18]。

利用肿瘤的纳米分型谱,可以预测肿瘤的转移、治
疗反应以及治疗效果。

目前,早期肿瘤标志物的一个重大进展就是发现在肿瘤发生早
期生物活性脂类分子代谢异常。

例如,发现LPA(lysophosphatidic acid)在肝癌、前列腺癌、肺癌和直肠癌的发生和发展中发挥作用[19]。

分子谱的研究揭示了肿瘤患者存在显著个体差异,肿瘤患者必须实行个体化治疗。

纳米技术已实现单细胞、单分子的示踪与检测[20-21]
4.3 研究与进展
4.3.1激光单原子分子探测术
激光单原子分子探测术具有极高的灵敏性。

可在含有1*1022个原子中，在单个原子分子层次上准确获取其中一个。

据此科学家期望对人体内生物分子的活动进行探测以找出
影响人类健康的线索。

通过它检测肿瘤患者的唾液、血液、粪便和呼出气，及时发现人体中只有亿万分之一的肿瘤或带瘤游离分。

[22]
4.3.2微小探针技术
微小探针可植入人体，根据不同的
诊断和监测目的，定位于不同部位，也可随血液在体内运行，随时将体内的各种生物信息反馈于体外记录装置而达到不同的诊断
和检测目的，此项技术有可能成为21世纪医学界常用的手段。

[23]
4.3.3纳米细胞检疫器
最近发明的世界上最小的纳米细胞检疫器，即纳米秤,它能称量的物体，即相当于1*10-9g病毒的重量。

利用它可以发现新病毒也可定点用于口腔、咽喉、食管、气管等开放部位的肿瘤早期诊断。

[24]
5.纳米治疗技术
5.1 纳米基因治疗
5.1.1病毒型纳米载体
传统上基因传递系统，按载体分类，可分为两大类:一
类是病毒载体(viral vectors)系统，一类为非病毒载体(non-viral vectors)系统。

前者是迄今为止最有效的基因转移方法，其基因转递效率通常达90%以上，而且在目前基因治疗临床试验中75%以上利用病毒为载体。

[25]目前的病毒载体主要有逆转录病毒(retrovirus vectors,RV)载体，腺病毒载体(adenovirus,AV)，腺相关病毒
(adeno-associated virus,AVV)载体，慢病毒载体(lentivirus)和单纯疱疹病毒(herpes simplex virus,HSV)载体。

[26]然而，病毒载体的最大问题是安全问题。

特别是1999年基因治疗临床试验中，出现首例运用腺病毒载体致人死亡事件后，[27]人们把注意力与希望逐步转向非病毒载体。

5.1.2非病毒型无机纳米载体
已报道的非病毒载体有裸DNA、脂质体、高分子聚合物和纳米载体等，其中裸
DNA因操作复杂、转染率低、细胞毒性等因素已被淘汰。

阳离子脂质体是目前研究中使
用最多，转染效率最高的一种非病毒载体，但存在稳定性差，难以保存、基因不能长期稳定表达和细胞毒性等问题，以上弊端限制了脂质体临床应用的可能。

[28]
新型的非病毒载体-无机纳米载体有望发
展成理想的基因载体。

无机纳米颗粒作为基因载体能包裹、浓缩、保护核酸避免核酸酶的降解，几乎无毒性，制备简易，保存方便，比表面积大，具有良好的生物相容性和可降解性，稳定性好等优点，具有广阔的前景。

[29]目前常用的载体主要有羟基磷灰石纳米颗粒（hydroxyapatite Nano-particles，HAP），中孔硅纳米颗粒（mesoporous silica nanoparticles），磁性纳米颗粒（iron oxide nanoparticles，IONP），金纳米颗粒（AuNPs）。

[30]
5.2荧光碳纳米管基础上的肿瘤靶向治疗
碳纳米管由于具有独特的力学、物理与化学性能,在肿瘤的治疗方面具有广泛的应
用前景[31]。

碳纳米管能够被核酸或蛋白质填充,表面也能够被修饰,带上治疗核酸或
蛋白质等靶分子,快速进入细胞质与细胞核,达到治疗疾病的目的[32]。

5.3 金纳米棒基础上的光热治疗
金纳米棒,作为一种贵金属材料,在肿瘤的
光热治疗、生物传感、分子影像与基因递送方面具有独特的性质。

[33]把金纳米棒与抗EGFR单克隆抗体连接起来,高效进入肿瘤细胞,在近红外光辐射后,可有效杀死肿瘤细
胞[34]。

同样,利用金纳米棒此特性,可以控制EGFP质粒在深部组织表达,增强肿瘤治疗的协同效应[35]。

6.展望
纳米生物技术极大的促进了当今医学
的发展。

但是一旦它们被引入生物体内，对人体免疫反应造成的潜在负面影响目前还
知之甚少到目前为止，关于纳米材料临床相关的毒性还从未报道过，纳米材料独特的物理化学性质是否引入新的损伤机制以及是
否引入新的病理学都是未知的，如炎症、凋亡、坏死、纤维化、过度增大、组织变形和致癌作用等。

因此21世纪的今天，我们在发展纳米科技的同时尚需关注其安全问题。

这样才能真正的造福于人类。

[1] Keahler T. Nonotechnology: basic concepts and definitions[J]. Clin Chem, 1994, 40 (9):1797
[2] 宋佳（Songjia）.生物技术世界(BiotechWorld)，2014年04期（中文期刊）
[3] Ito A, Shinkai M, Honda H, Kobayashi T. Medical application of functionalized magnetic nanoparticles[J]Bioscibioeng，2005.100（1）：1 [4] WidderK J. Magnetic
microspheres’vehicleforselective targeting of drugs) [J]. Pharmacol ther,1983,
20: 3 337.
[5]赵强(Zhao Qiang),庞小峰(Pang Xiaofeng). 原子
与分子物理学报( Chinese Journal of Atomic and Molecular Physics),2005年02期（中文期刊）[6] Yanase M, Shinkai M, Honda H, Jpn J Cancer Res, 1998, 89(4): 463—469
[7] VeisehO., GunnJW, ZhangMQ. Designandfabricationofmagneticnanoparticlesfortarget eddrugdelivery
andimaging[J].AdvancedDrugDeliveryReviews,2010, 62(3):284- 304.
[8] SlowingII, Vivero-EscotoJL, Wu C W, Mesoporoussilicananoparticlesascontrolled releasedrug Deliveryandgenetransfectioncarriers[J]. AdvancedDrugDeliveryReviews,2008,60(10):1278- 1288.
[9]ChenD Y,JiangM, J, LiNJ, Modificationofmagneticsilica/ironoxidenanocomposit eswith fluorescentpolymethacrylicacidforcancertargetingandd rugdelivery[J].Journalof Materials Chemistry, 2010,20(31):6422- 6429.
[10]Partha MitchellL R,LyonJL,
Buckysomes:fullerene-basedNano carriersforhydrophobicmolecule
delivery[J]. ACSNano,2008,2(9):1950- 1958. [11]QiaoW L,WangB C, WangY Z, CancertherapybasedonnanomaterialsandNano carriersystems[J].
JournalofNanomaterials,2010:796303.
[12]杨涉华,朱茂祥,龚诒芬.纳米硒对D-半乳糖所致的小鼠免疫和氧化损伤的保护作用[J].微量元素与健康研究,1999,16:4.
[13]杨祥良(Yang XL),徐辉碧(Xu HB),谢长生(Xie CS).基于纳米技术的中药基础问题研究[ J].华中理工大学学报(JHuazhong Univ
Sci&Tech),2000,28(12):104-105.(中文期刊) [14] FerrariM.Cancernanotechnology: opportunities and challenges[J]. NatRevCancer, 2005, 5(1):
161-171.
[15] AlivisatosP.Theuseofnanocrystals in biological detection[J]. NatBioethanol, 2004, 22(1): 47-52. [16] HanahanD,WeinbergR A. The hall marks of cancer [J]. Cell,2000, 100(1): 57-70.
[17] Kakarala M, Wicha MS. Cancerstem cells: implications forcancertreatmentand prevention [J]. Cancer, 2007, 13(5):271-275.
[18] RossDT,ScherfU, EisenMB, Systematic variation in gene expressionpatternsinhumancancer cell lines[J]. Nat Genet,2000, 24(3): 227-235.
[19]U mezu GotoM, KashiaY,TairaA,.Autotaxinhas lysophos-pholipase D activityleadingtotumorcellgrowthandmotilitybylysoph osphatidic acid production[J]. JCell Biol, 2002, 158(2): 227-233.
[20] HoshinoA,FujiokaK,ManabíN,Simultaneous multicolordetection system
ofthesingle-molecularmicrobialantigen withtotalinternalreflection fluorescence microscopy[J]. MicrobialImmunology, 2005, 49(5): 461-470.
[21] KenworthyAK.
Imagingprotein-proteininteractionsusingfluorescencer esonanceenergytransfer microscopy [J]. Methods, 2001,24(3): 289-296.
[22]Silva CA. Introduction to nanotechnologyand its applications to medicine [J]. SurgNeurol.2004，61 ：216-220.
[23] 陈汝福(Chen Rufu),陈积圣(Chen Jisheng),纳米技术在肿瘤诊断与治疗中的应用癌症( Chinese Journal of Cancer),2004年12期（中文期刊）[24] 秦仁义，裘法祖，纳米生物技术在实验外科的应用前景[J]中华实验外科杂志，2003，20：773-775 [25] Luo D. Saltzman WM. Synthetic DNA delivery systems[J]. Nat Biotech,2000,18(1):33.
[26]王振发(Wang Zhenfa),王烈卫(Wang Liewei),立辛(Li Xin),基因治疗病毒载体的研究进展医学综述, (Medical Recapitulate),2007年07期（中文期刊）[27] Fox JL. Gene therapy safety tissues come to fore [J]. Nat Biotech, 1999.17(9):33.
[28]Wada K, Arima H, Tsutsumi T, et al. Improvement of genedelivery mediated by mannosylated
dendrimer/alpha-cyclodextrinconjugates[J]. J Control Release，2005，104（2）：397-413.
[29] 焦泽旭，庄广伦，周灿权，体外受精-胚胎移植后发生异位妊娠17 例临床分析[J]. 中华妇产科杂志，2001，36（7）：411-413.
[30] 刘珊，刘嘉茵，崔毓桂，国际生殖健康/计划生育杂志, （Journal of International Reproductive Health/Family Planning,）2012年02期
[31] Xu RX, Povosk SP. D if fuse optical imaging and spectroscopy forcancer [ J]. Expert R ev M ed Devices, 2007, 4 (1): 83-95.
[32] Cui DX. Advances and prospect of biomolecules functionalized carbon nanotubes [ J]. J Nanosci Nanotechno, l 2007, 7 (5):1298-1314.
[33] Yang DP, Cui DX. Advance and prospects of gold Nanorods[ J]. Cheman Asian J, 2008, in press [34] Huang XH, E -l Sayed IH, QianW, et al. Cancer cell imaging and photo thermal therapy in the near- infrared region by using gold nanorods [ J]. JAm Chem Soc, 2006, 128(6): 2115-2120
[35] C hen CC, Lin YP, Wang CW, et a l. DNA-gold nan rod conjugates for remote control of localized gene expression by near infraredirradiation [ J]. J Am Chem Soc, 2006, 128 (11): 3709-3715.。