纳米技术在医学检测和诊断中的应用进展
[关键词]纳米; 医学检测; 诊断
[中图分类号] R445.9[文献标识码]A [文章编号] 1005-0515(2010)-9-220-01
纳米( nanometer, nm)是一个长度单位, 即十亿分之一米( 1× 10- 9m)。纳米技术(Nanotechnology) 是指在 0.1～ 100 nm空间尺度上操纵原子和分子对材料进行加工, 制造具有特定功能的产品或对物质及其结构进行研究的一门综合性的高新技术学科[1-2]。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科,在 20 世纪 90 年代获得了开创性的进展,研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米技术的发展正越来越成为世界各国科技界所关注的焦点, 谁能在这一领域取得领先, 谁就能占据 21 世纪科学的制高点。随着纳米技术的发展, 纳米电子学、 纳米生物学、 纳米材料学、 纳米医学等分支学科也相继建立和发展起来。尤其重要的是这些学科正在发生相互融合、 相互渗透[3- 4]。
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纳米技术与医学的结合形成了新兴边缘学科--纳米医学, 纳米生物医学是纳米科技和生物医学结合的产物, 是纳米科技的一个核心领域, 即在分子水平上利用分子工具和人体相关的知识, 从事疾病的检测、诊断、 治疗、预防和保健等。生物医学起源于诊断, 没有很好的诊断就不可能有很好的预防和治疗。目前随着科技的发展, 生物医学诊断得到了前所未有的发展, 各种检验诊断手段、仪器已是各式各样, 在其迅猛发展的过程中纳米材料起到了关键作用。正是纳米技术在医学检测和诊断中的应用使人们在分子水平上对疾病有了更深的认识,更好的维护和提高了人类的健康水平 。
1纳米探测技术在医学检测和诊断的应用
纳米探针是一种探测单个活细胞的纳米传感器,探头尺寸仅为纳米量级,当它插入活细胞时,可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤,而且纳米探针据不同的诊断和检测目的, 将其植入并定位于体内不同部位, 或随血液在体内运行, 随时将体内各种生物信息反馈于体外的记录装置。该技术有着很高的灵敏性,可在含有 10 个原子/分子的1 cm3气态物质中, 在单个原子或分子层次上准确获取其中1个。医生可通过检测人的唾液、血液、 粪便和呼出气体等, 发现人体中只有亿万分之一的各种疾病或带病游离分子, 用于肿瘤细胞的诊断与治疗。
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扫描探针显微镜目前已经用于人体多种正常组织和细胞的超微形态学观察 ,而且可以在纳米水平上揭示肿瘤细胞的形态特点。通过寻找特异性的异常结构改变 ,以解决肿瘤诊断的难题。另一种新型的纳米影像学诊断工具 - - 光学相干层析术(OTC)已研制成功。OTC的分辨率可达纳米级 ,较 CT 和核磁共振的精密度高出上千倍 ,并且它不会像 X线、 CT、 磁共振那样杀死活细胞。
2纳米生物芯片在医学检测和诊断的应用
纳米生物芯片与传统的生物芯片相比, 纳米生物芯片具有以下几个特点:(1)采用微电子,高产而成本低;(2)高度敏感性;(3)减少了样品的数量;(4)使用纳米尺度上的固定方法, 可以自主组装。这类型的生物芯片可以在血流中探测病毒、 细菌和异常细胞。 能即时发现病毒和细菌的入侵, 并予以歼灭。也可以沿血液流动并跟踪镰状细胞贫血患者的红细胞和感染了病毒的细胞。目前, 电场作用下自动寻址的细胞芯片已研究成功, 既可用于基因功能研究与蛋白质亚细胞定位, 又可用于监测基因与蛋白质的瞬间表达[5]。
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3纳米细胞检疫器 ( 纳米秤) 在医学检测和诊断的应用
纳米秤又称纳米细胞检疫器,能称量10-9g的物体,即相当于1个病毒的质量。利用它可发现新病毒, 可定点用于口腔、 咽喉、食管、 气管等开放部位的检疫。
4纳米传感器在医学检测和诊断的应用
纳米材料用于生物传感器是由 Alarie 和 Vo- Dinh 等人[6]于 1996年提出的。纳米生物传感器利用其细小的尖端(仅为纳米量级)插入活细胞内, 而又不干扰细胞的正常生理过程, 以获取活细胞内多种反应的动态化学信息、 电化学信息及反映整体的功能状态, 以便深化对机体生理及病理过程的理解, 例如利用纳米生物传感器可以探知会导致肿瘤的早期 DNA损伤等; 此外, 纳米生物传感器和新的成像技术还能对疾病进行早期的检测和治疗[7]。
5纳米金属在医学检测和诊断的应用
, 百拇医药
PCR 技术发展至今, 不仅仅是实验室的“宠儿” ,而是已经成为了诊断、治疗、科研开发等等各个生命科学领域的“必杀锏”。但是经过近二十年的发展, PCR 技术依然存在这样或那样的问题, 比如准确性, 利用 PCR 技术来诊断疾病, 假阴性、假阳性等现象屡见不鲜。造成这一问题的原因一般认为是由于在体外复制过程中缺少在 DNA复制过程中担任“检测师”的 SSB蛋白[8]。
解思深院士及来自中科院上海应用物理研究所以及上海交大的研究人员应用纳米技术升级了 PCR 技术, 完成了“点金术”: 他们将几千个直径为 0.3 纳米的金原子堆积在一起, 做成一个个直径约几或十几纳米的纳米金球, 加入 PCR反应, 结果发现纳米金减少了 PCR 复制过程中的出错率, 并且提高了复制的速度和效率, 这一研究获得了国际同行的认可。通过应用纳米技术 ,在DNA 检测时 ,可免去传统的 PCR扩增步骤 ,快速、 准确 ,易实现检测自动化。这是一项新颖且重要的方法, 它为分子生物学中最为重要的标准方法 PCR 开拓了进一步改进的途径, 具有较大应用价值[8]。
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6磁性纳米材料在医学检测和诊断的应用
纳米磁性颗粒在生物检测上的应用是仅次与荧光材料。各种磁性生物探针, 磁性跟踪材料都已发展到了实用阶段。洪霞等选用葡聚糖包覆超顺磁性的 Fe3O4 纳米粒子, 通过葡聚糖表面的醛基化实现与抗体的偶联, 制得了 Fe3O4 /葡聚糖/抗体磁性纳米生物探针, 在组装有第二抗体和抗抗体的全层析试纸上进行的层析实验表明该探针完全适用于快速免疫检测的需要, 达到了层析免疫检测的目的[9]。
7纳米吸附材料在医学检测和诊断的应用
实验表明,做细胞分离的试剂聚乙烯吡咯烷酮可将表面包覆单分子层的直径 30 纳米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, 通过离心可以使所需要的细胞分离。杨箐等撰文对聚合物纳米粒子在基因治疗中的应用作了探讨, 证明了纳米聚合物粒子具有很好的吸附包覆作用, 并已应用到动物型基因治疗的实验研究[10]。美国科学家把某种纳米颗粒 “粘”在生物分子上, 然后利用纳米颗粒的发光特性研究生物分子的活动情况。比人体细胞小得多的纳米颗粒可以被送进人的组织、 器官内, 用光线从人体外部向内进行照射, 体内的纳米颗粒也会发光, 这样就可以达到追踪病毒的效果。另外, 纳米材料其他很多特性在生物医学检验中越来越多的被应用, 如比利时的德梅博士等制备出多种对各种细胞器敏感程度和亲和力差异很大的金纳米粒子-- 抗体复合体纳米材料, 与细胞器结合后在光镜和电镜下很容易分辨各种细胞内结构。
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随着人们对疾病防治及保健概念的转变 ,医学实验诊断技术也必然向着相应的方向发展。纳米技术与生物医学的结合, 为医学界提供了全新的思路, 纳米材料在医学领域的应用取得了显著效果。但纳米材料应用还很有限, 尤其是在生物医学方面还需大量临床试验予以证实,使得纳米材料在生物安全性方面的应用有待进一步提高。同时由于相关技术的不断突破 ,必然促使纳米医学实验诊断技术加速发展。随着纳米材料在生物医学领域更广泛的应用, 医学检验和诊断将变得节奏更快、 效率更高、更准确。
参考文献
[1] Keahler T. Nanotechnology: basic concepts and definitions [J]. Clin. Chem, 1994, 40(9):1797- 1799.
[2] 白春礼. 纳米科技-全面理解内涵, 促进健康发展[J]. 学会月刊,2001( 11) : 10- 12.
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[3] ZhongguoYi Xue. Application of nanobiological technology in medicine and its advances in China. Ke Xue Yuan Xue Bao, 2006, 28 (4): 579- 582.
[4] 张立德, 牟季美.纳米材料和纳米结构[M] . 北京:科学出版社, 2001.
[5] Bouchie A. Microarrays come alive[J]. Nature, 2001, 411:107- 110.
[6] Alarie JP, Vo Dinh T. Antibody based submicrion biosensor forbenzo[a]pyrene DNA aduct[J]. Polycydic Aromat comp, 1996, 8:45-52.
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[7] 郭梦金 ,张欣杰.纳米技术在医学中的应用现状及展望[J].河北化工, 2007 , 30 (3):16-17.
[8] 言民, 唐雪云,冼燕娥,等. “金”对人体是否具有医学和美容价值 [J].医疗保健器具,2006,7:42-45.
[9] 洪霞, 郭薇, 李军, 等.Fe3O4 /葡聚糖 /抗体磁性纳米生物探针的制备和层析检测[J] .高等学校化学学报, 2004, 25(3): 445.
[10] 杨箐, 宋存先, 孙洪范, 等.包裹治疗基因的聚合物纳米粒子:Ⅰ.纳米粒子制备及动物模型基因治疗实验研究[J].生物医学工程学杂志, 2005, 2(3) : 438- 442., 百拇医药
[中图分类号] R445.9[文献标识码]A [文章编号] 1005-0515(2010)-9-220-01
纳米( nanometer, nm)是一个长度单位, 即十亿分之一米( 1× 10- 9m)。纳米技术(Nanotechnology) 是指在 0.1～ 100 nm空间尺度上操纵原子和分子对材料进行加工, 制造具有特定功能的产品或对物质及其结构进行研究的一门综合性的高新技术学科[1-2]。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科,在 20 世纪 90 年代获得了开创性的进展,研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米技术的发展正越来越成为世界各国科技界所关注的焦点, 谁能在这一领域取得领先, 谁就能占据 21 世纪科学的制高点。随着纳米技术的发展, 纳米电子学、 纳米生物学、 纳米材料学、 纳米医学等分支学科也相继建立和发展起来。尤其重要的是这些学科正在发生相互融合、 相互渗透[3- 4]。
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纳米技术与医学的结合形成了新兴边缘学科--纳米医学, 纳米生物医学是纳米科技和生物医学结合的产物, 是纳米科技的一个核心领域, 即在分子水平上利用分子工具和人体相关的知识, 从事疾病的检测、诊断、 治疗、预防和保健等。生物医学起源于诊断, 没有很好的诊断就不可能有很好的预防和治疗。目前随着科技的发展, 生物医学诊断得到了前所未有的发展, 各种检验诊断手段、仪器已是各式各样, 在其迅猛发展的过程中纳米材料起到了关键作用。正是纳米技术在医学检测和诊断中的应用使人们在分子水平上对疾病有了更深的认识,更好的维护和提高了人类的健康水平 。
1纳米探测技术在医学检测和诊断的应用
纳米探针是一种探测单个活细胞的纳米传感器,探头尺寸仅为纳米量级,当它插入活细胞时,可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤,而且纳米探针据不同的诊断和检测目的, 将其植入并定位于体内不同部位, 或随血液在体内运行, 随时将体内各种生物信息反馈于体外的记录装置。该技术有着很高的灵敏性,可在含有 10 个原子/分子的1 cm3气态物质中, 在单个原子或分子层次上准确获取其中1个。医生可通过检测人的唾液、血液、 粪便和呼出气体等, 发现人体中只有亿万分之一的各种疾病或带病游离分子, 用于肿瘤细胞的诊断与治疗。
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扫描探针显微镜目前已经用于人体多种正常组织和细胞的超微形态学观察 ,而且可以在纳米水平上揭示肿瘤细胞的形态特点。通过寻找特异性的异常结构改变 ,以解决肿瘤诊断的难题。另一种新型的纳米影像学诊断工具 - - 光学相干层析术(OTC)已研制成功。OTC的分辨率可达纳米级 ,较 CT 和核磁共振的精密度高出上千倍 ,并且它不会像 X线、 CT、 磁共振那样杀死活细胞。
2纳米生物芯片在医学检测和诊断的应用
纳米生物芯片与传统的生物芯片相比, 纳米生物芯片具有以下几个特点:(1)采用微电子,高产而成本低;(2)高度敏感性;(3)减少了样品的数量;(4)使用纳米尺度上的固定方法, 可以自主组装。这类型的生物芯片可以在血流中探测病毒、 细菌和异常细胞。 能即时发现病毒和细菌的入侵, 并予以歼灭。也可以沿血液流动并跟踪镰状细胞贫血患者的红细胞和感染了病毒的细胞。目前, 电场作用下自动寻址的细胞芯片已研究成功, 既可用于基因功能研究与蛋白质亚细胞定位, 又可用于监测基因与蛋白质的瞬间表达[5]。
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3纳米细胞检疫器 ( 纳米秤) 在医学检测和诊断的应用
纳米秤又称纳米细胞检疫器,能称量10-9g的物体,即相当于1个病毒的质量。利用它可发现新病毒, 可定点用于口腔、 咽喉、食管、 气管等开放部位的检疫。
4纳米传感器在医学检测和诊断的应用
纳米材料用于生物传感器是由 Alarie 和 Vo- Dinh 等人[6]于 1996年提出的。纳米生物传感器利用其细小的尖端(仅为纳米量级)插入活细胞内, 而又不干扰细胞的正常生理过程, 以获取活细胞内多种反应的动态化学信息、 电化学信息及反映整体的功能状态, 以便深化对机体生理及病理过程的理解, 例如利用纳米生物传感器可以探知会导致肿瘤的早期 DNA损伤等; 此外, 纳米生物传感器和新的成像技术还能对疾病进行早期的检测和治疗[7]。
5纳米金属在医学检测和诊断的应用
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PCR 技术发展至今, 不仅仅是实验室的“宠儿” ,而是已经成为了诊断、治疗、科研开发等等各个生命科学领域的“必杀锏”。但是经过近二十年的发展, PCR 技术依然存在这样或那样的问题, 比如准确性, 利用 PCR 技术来诊断疾病, 假阴性、假阳性等现象屡见不鲜。造成这一问题的原因一般认为是由于在体外复制过程中缺少在 DNA复制过程中担任“检测师”的 SSB蛋白[8]。
解思深院士及来自中科院上海应用物理研究所以及上海交大的研究人员应用纳米技术升级了 PCR 技术, 完成了“点金术”: 他们将几千个直径为 0.3 纳米的金原子堆积在一起, 做成一个个直径约几或十几纳米的纳米金球, 加入 PCR反应, 结果发现纳米金减少了 PCR 复制过程中的出错率, 并且提高了复制的速度和效率, 这一研究获得了国际同行的认可。通过应用纳米技术 ,在DNA 检测时 ,可免去传统的 PCR扩增步骤 ,快速、 准确 ,易实现检测自动化。这是一项新颖且重要的方法, 它为分子生物学中最为重要的标准方法 PCR 开拓了进一步改进的途径, 具有较大应用价值[8]。
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6磁性纳米材料在医学检测和诊断的应用
纳米磁性颗粒在生物检测上的应用是仅次与荧光材料。各种磁性生物探针, 磁性跟踪材料都已发展到了实用阶段。洪霞等选用葡聚糖包覆超顺磁性的 Fe3O4 纳米粒子, 通过葡聚糖表面的醛基化实现与抗体的偶联, 制得了 Fe3O4 /葡聚糖/抗体磁性纳米生物探针, 在组装有第二抗体和抗抗体的全层析试纸上进行的层析实验表明该探针完全适用于快速免疫检测的需要, 达到了层析免疫检测的目的[9]。
7纳米吸附材料在医学检测和诊断的应用
实验表明,做细胞分离的试剂聚乙烯吡咯烷酮可将表面包覆单分子层的直径 30 纳米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, 通过离心可以使所需要的细胞分离。杨箐等撰文对聚合物纳米粒子在基因治疗中的应用作了探讨, 证明了纳米聚合物粒子具有很好的吸附包覆作用, 并已应用到动物型基因治疗的实验研究[10]。美国科学家把某种纳米颗粒 “粘”在生物分子上, 然后利用纳米颗粒的发光特性研究生物分子的活动情况。比人体细胞小得多的纳米颗粒可以被送进人的组织、 器官内, 用光线从人体外部向内进行照射, 体内的纳米颗粒也会发光, 这样就可以达到追踪病毒的效果。另外, 纳米材料其他很多特性在生物医学检验中越来越多的被应用, 如比利时的德梅博士等制备出多种对各种细胞器敏感程度和亲和力差异很大的金纳米粒子-- 抗体复合体纳米材料, 与细胞器结合后在光镜和电镜下很容易分辨各种细胞内结构。
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随着人们对疾病防治及保健概念的转变 ,医学实验诊断技术也必然向着相应的方向发展。纳米技术与生物医学的结合, 为医学界提供了全新的思路, 纳米材料在医学领域的应用取得了显著效果。但纳米材料应用还很有限, 尤其是在生物医学方面还需大量临床试验予以证实,使得纳米材料在生物安全性方面的应用有待进一步提高。同时由于相关技术的不断突破 ,必然促使纳米医学实验诊断技术加速发展。随着纳米材料在生物医学领域更广泛的应用, 医学检验和诊断将变得节奏更快、 效率更高、更准确。
参考文献
[1] Keahler T. Nanotechnology: basic concepts and definitions [J]. Clin. Chem, 1994, 40(9):1797- 1799.
[2] 白春礼. 纳米科技-全面理解内涵, 促进健康发展[J]. 学会月刊,2001( 11) : 10- 12.
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[3] ZhongguoYi Xue. Application of nanobiological technology in medicine and its advances in China. Ke Xue Yuan Xue Bao, 2006, 28 (4): 579- 582.
[4] 张立德, 牟季美.纳米材料和纳米结构[M] . 北京:科学出版社, 2001.
[5] Bouchie A. Microarrays come alive[J]. Nature, 2001, 411:107- 110.
[6] Alarie JP, Vo Dinh T. Antibody based submicrion biosensor forbenzo[a]pyrene DNA aduct[J]. Polycydic Aromat comp, 1996, 8:45-52.
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[8] 言民, 唐雪云,冼燕娥,等. “金”对人体是否具有医学和美容价值 [J].医疗保健器具,2006,7:42-45.
[9] 洪霞, 郭薇, 李军, 等.Fe3O4 /葡聚糖 /抗体磁性纳米生物探针的制备和层析检测[J] .高等学校化学学报, 2004, 25(3): 445.
[10] 杨箐, 宋存先, 孙洪范, 等.包裹治疗基因的聚合物纳米粒子:Ⅰ.纳米粒子制备及动物模型基因治疗实验研究[J].生物医学工程学杂志, 2005, 2(3) : 438- 442., 百拇医药