互动科普

1966年推出的影片《奇异的旅行》(Fantastic Voyage)以大胆的想象向观众展示了纳米技术用于医疗的情景：通过某种神秘的手段，一组无畏的医生及其乘坐的高技术潜艇被缩小至一丁点儿大，于是他们得以穿过患者的血流，并成功地为其清除了大脑中威胁生命的血块。在过去的35年里，由于科学取得了巨大进展而能将复杂的装置做得越来越小，使得一些人以为，现在就可以做这样的治疗，并且微小的机器不久以后就可以在每个人的血管中穿行。事实上，在一些圈子里，由于人们把这回事过于当真，一些人已开始担忧，纳米技术也会有其阴暗面：自复制的纳米级自动机会不会失去控制而毁掉整个生物界？

在笔者以及大多数研究人员看来，上述设想纯属科学幻想。然而，纳米技术还是有可能增进生物医学研究的手段——例如，为所做的实验研究提供新型标记，以发现药物或揭示在各种不同的条件下。细胞中的哪些基因处于活化状态。此外，纳米技术还有可能在快速诊断和遗传检验上起某种作用，如像用来确定某人对不同病症的易感度或揭示患者的癌肿中哪些基因已突变之类的检验。研究人员还在研究如何把纳米级装置用作对非侵入性成象技术的改良对比介质以及用作药物输送工具。虽然正在形成的纳米技术可能并不像电影艺术家描绘那样神奇，但从任何一点看，纳米技术同样很了不起，因为相比之下，它给患者和研究人员带来的好处是实实在在的。

纳米技术究竟怎样完成这些工作？答案的关键在于你给它下什么样的定义。整个生物界可以说就是纳米技术的一种表现形式，即使最复杂的生物也是由微小的细胞构成的，而细胞本身则又是由纳米级的“积木”——蛋白质、脂质、核酸以及其它一些复杂的生物分子——组成的。然而，我们平常所说的“纳米技术，”通常仅指用，比方说，半导体、金属、塑料或玻璃制成的人造结构，纳米级的无机构现已商品化，特别是用作对比介质。

磁力

大自然本身为这类无机晶体在生物范围内的用途提供了极好的说明——低等的磁敏感菌磁敏感菌生存在水体及其浑浊的底部，它们只有在水体或沉积物的某个深度才能兴旺生长。高于这个深度，氧过多而不宜于它们；低于这个深度，氧又过于稀少，离开了适宜深度的磁敏感菌必须迅速回到其适宜生境，因此，和其许多亲缘生物一样，磁敏感菌也时时摆动着用作推进器的鞭状尾。然而，在重力对其基本上没有影响的情况下，能漂浮的磁敏感苗又怎样辨别上位置呢？

答案在于，磁敏感菌的体内安装着一条由大约20个磁性晶体构成的链条，每个磁性晶体的直径35纳米至120纳米之间。这些磁性晶体合起来构成了一副微型指南针。由于地球的磁场在大多数地方都是倾斜的(磁场不仅指向北边，而且在北半球朝下倾斜，在南半球朝上倾斜)，磁敏感菌就可以循着一条磁场线向上或向下去到它所要去的地方。

磁敏感菌的指南针堪称自然界的纳米级技术装备的奇迹。例如，它是由理想的材料—一磁铁矿或greigite——制成的，两者都是磁性很强的铁矿物。磁敏感菌采用多倍的磁性晶体也绝非偶然。在尺寸很小的情况下，可磁化的微粒越大，保持磁化状态的时间就越长。然而，如果可磁化的微粒变得过大，它就会自发地形成两个单独的磁畴，其磁化方向是相反的这样的磁性晶体几乎没有总的磁性，因而不会起到高效指南针的作用。由于制造指南针的晶体其尺寸刚好使之能作为稳定的一个磁畴而存在，磁敏感菌恰到好处地利用了它所贮藏的全部铁有趣的是，人们在设计硬盘存储介质时，所采用的方法竟与磁敏感菌完全相同，他们所采用的磁性纳米晶体其尺寸恰好能使之性能既稳定，磁性又强。

尺寸与上述材料相似的人造磁性晶体或许很快就能以新颖的方式应用于生物医学研究。目前，两个研究小组(一个德国，一个在笔者执教的加州大学伯克利分校)正在研究如何利用磁性纳米粒子探测特殊的生物体，如像致病的微生物之类。

就像当今采用的多种方法一样，他们所研究的方法也需要有能同特殊的靶结合的适宜抗体。磁性纳米粒子被作为标记粘贴在精选的抗体分子上，抗体分子然后便被应用于在研究中的样本为了弄清抗体是否已抓住靶子，一位研究人员采用了一个强磁场(磁场能暂时磁化纳米粒子)，然后又用一台敏感的仪器(它能察觉“探针”发出的微弱磁场)观察所研究的样本。由于带有标记而又未能同样本结合的抗体在溶液中翻腾得很快，它们未能发出一点磁信号而已同样本结合的抗体则不能翻腾，因而它们的磁性标记同发出了容易探测出的磁场。

由于未同样本结合的“探针”——抗体分子——未发出一点磁信号，这种方法便免去了这类试验通常要求要作的耗费时间的洗涤步骤。用这种实验方法显示出来的灵敏度现已高于标准的实验方法，而且从这种仪器预料会有的种种改进来看，不久以后，这种方法的灵敏度应能提高数百倍之多。

尽管有着上述这些优点，但磁性标记法或许不会完全取代广泛采用的用荧光标记物标记探针的方法(荧光标记物一般是一种有机分子，这种分子在被一种特殊的色光照射后，会发射出特有颜色的光)。颜色对于各种不同的诊断和研究方法非常有益，例如跟踪一个以上的探针。现代世界不仅到处是电子线路，也充满了发射光的材料。例如，每台CD机都用发自一个固体激光二极管的光来读盘，而二极管则用无机半导体材料制成。读者不妨想象一下在一块小得几近于无的半导体材料上刻出一个蛋白质分子那么大的凹口，所得结果便是一个半导体纳米晶体，用行话来说，就是一个“量子点。”和纳米级磁性晶体一样，这些小点在生物医学研究上也大有用武之地。

正如其名称所暗示的那样，量子点的特殊性质也应归因于量子力学的神奇法则，正是这样一些法则将原子中的电子限制在某些离散的能级上。有机染料分子只吸收具有合适能量的光子，因为只有这样才能使其电子从静止状态跃迁到其可达到的较高的能级之一。也就是说，入射光要做到这一点就必须具有完全正确的波长即颜色。随后当电子返回到较低的能级上以后，染料分子就会发射出一个光子。这种现象完全不同于大块半导体的情况，大块半导体使电子得以占据两个宽阔的能带。虽然大块半导体材料能够吸收范围广阔的颜色的光一一只要光子的能量不小于这两个能带的能量差，就都能吸收，但这种材料只能以相当于带隙能量的特定波长发射光。量子点属于一种中间的情况。和大块半导体材料一样，量子点能够吸收带隙阈限以上所有能量的光子。然而，量子点发射光的波长即其颜色却主要取决于量子点的尺寸。因此，一种类型的半导体材料就能产生出整整一族颜色显然不同的标记。

物理学家们最早是在20世纪70年代开始研究量子点的。当时他们认为有朝一日或许可以用量子点来制作新型电子仪器或光学装置。这些走在前列的研究人员中几乎没有人想到，量子点会有助于疾病诊断或发现新药。并且他们之中没有一个人想到，量子点最先的实际用途就是用在生物学和医学上。虽然制作能在生物系统中妥善运作的量子点确实需要经年累月的研究，但最子点现已成为一种现实。

形形色色的联合体

领头推进量子点技术商品化运动的公司——量子点公司——已为笔者的实验室、麻省理工学院、印第安纳大学、劳伦斯-伯克利国家实验室以及澳大利亚的墨尔本大学开发的多种量子点技术发放了许可证。虽然笔者参与创办了该公司（因而笔者的评价可能会带有偏见)，但笔者仍然认为，量子点前景看好。

与传统的染料分子相比，半导体纳米晶体有几个优点。与很快就会分解的典有机分子相比，小小的无机晶体所能耐受的激励和光发射周期耍多得多并且这种稳定性还使得研究人员能够以比目前更长的时间间隔跟踪探查细胞和组织内正在发生的情况。然而，半导体纳米晶体所能带来的最大好处还在于，纳米晶体不难捉摸——它们呈现的颜色更丰富。

生物系统都非常复杂，并且时常是几个成分必须同时观察。在这种情况下跟踪探查很难成功，因为每种有机染料都必须用一种波长不同的光激励。然而，量子点使同时标记多种不同的生物分子(每中分子用尺寸不同因而颜色也不同的晶体标记)成为可能。并且由于所有这些晶体都能够用一个光源激励，它们都能同时得到跟踪探测。

虽然这种方法正在得到积极应用，但量子点还带来了更为有趣的一些希望。读者不妨想象一下一颗充满了量子点的小胶乳球。例如，小胶乳球可含有5种不同尺寸(即5种不问颜色)的量子点，并且量子点的密集度也是多种多样的小球受到光的照射之后，就会发射出光，光被棱镜散射后，就会产生具有规定亮度的5种不同的光谱线，如果你愿意的话，你可以把它叫做光谱的条形码这种小球可以产生大量的(有可能是数十亿个)不同的标记，其中的每一个标记均可被附着在，比方说，由不同的遗传物质顺序构成的DNA分子上。有了这些多种多样的小球之后，研究人员就可以把某个样本中的遗传物质同一个已知的DNA顺序库对照，如果研究人员想要弄清某些细胞或组织中是哪些基因正处于活化状态的话，就可以这样做。这样，他们就能把样本暴露于整个小球顺序库之中，并读出已同样本中顺序结合的顺序库DNA的光谱线。由于结合只有在遗传顺序对应的情况下(或者更确切地说，只有在一个顺序能够同另一个顺序互补的情况下)才会发生，实验结果即刻就能揭示样本中遗传物质的性质。

虽然半导体量子点很快就能以这种方式给生物医学研究人员带来帮助，但对于生物样本遗传成分的光学检测来说，它们并非唯一有用的纳米结构。西北大学的Chad A. Mirkin和Robert L．Letsinger从研究中得出了另一个例证，他们最近创造了一种精巧的方法，用于检测溶液中是否存在某种特别的遗传顺序他们的方法使用了与DNA相连接的13纳米大小的金粒子。

这里的诀窍是采用2组金粒子。第l组金粒子所带有的DNA同靶顺序的一半结合；第2组所带有的DNA同靶顺序的另一半结合。有着完整靶顺序的DNA迅速地粘附在两种类型的金粒子上，把它们连接在一起。由于每个金粒子都有许多DNA触手，带有这种靶顺序的多片遗传物质就能将许多金粒子粘接在一起。这些金粒子结合在一起时，其光学性质便发生了显著变化，使得试液由红色变为蓝色。由于试验结果无需任何检测仪器就很容易看出来，这种方法对于家庭检测DNA或许特别有用。

感受威力如果不略略提及当今科学上最热门的仪器——原子力显微镜，那么对生物纳米技术的探讨就说不上完整。原子力显微镜探查物质的方式与老式唱机辨认唱片纹道的方式相同——用一根尖针掠过物质表面，并探溯出由此而产生的偏移。然而，原子力显微镜的尖头比唱针要细得多，因而原子力显微镜可以检测远比唱片纹道要细的结构。遗憾的是，已经证明制作既细又坚的原子力显微镜用尖头极其困难。

1996年，上述难题的解办法出现了——赖斯大学的研究人员将一根纤细的碳纳米管固定在一台原子力显微镜的尖头上，使探查仅仅几纳米大小的样本成为可能。l998年，Charles M．Lieber及其在哈佛大学的合作者将这一方法用于探查生物分子，从而获得了一种分辨率极高的手段．它能在最基本的层次探查复杂的生物分子及其相互作用。

然而，除了作基本的科学检测以外，原子力显微镜可能很快就能应用于更多的领域。去年，James K．Gimzewski(当时还在IBM公司苏黎世研究实验室工作)和IBM公司以及巴塞尔大学的合作者一起证明，一排微米级的悬臂(与用于原子力显微镜的很相似)可用于探查样本中是否存在某些遗传顺序。他们把短的DNA束粘接在上述悬臂的端头。当带有互补顺序的遗传物质和已粘结在端头上的DNA束结合时，就诱发出一股表面应力，应力使悬臂微微弯曲，虽然弯曲的幅度仅仅只有几纳米，但已足以被检测出来。在制出带有许多悬臂的装置并用另一种不同DNA涂覆每个悬臂之后，研究人员应能通过纳米机械手段迅速查清生物样本中是否存在特定的遗传顺序(如同眼下经常用基因芯片做的那样)，而无需利用标记。

上述例子以及此前所述的其它例子说明，纳米技术与医学实践之间的联系时常是间接的——许多新的研究预示，纳米技术只会带来更好的研究工具和诊断手段。然而，在一些情况下正在开发的纳米物质本身可能就能证明可用于治疗。例如，可将药物密封在纳米级的外壳里面，外壳以多种复杂的方式控制药物的释放。

让我们来看一看称为有机树形聚合物(dendfimer)的一类人造分子。20年以前，美国密执安分子研究所的Donald A．Tomalia率先制成了第一种令人感兴趣的此类聚合物。树形聚合物分子从里到外接连不断地分叉从一棵树上取下许多小枝，把它们插进一个泡沫球内，使之能向四面八方生长出枝条，这样，你所得到的结果就与树形聚合物分子的形态非常相似了。虽然呈球状的树形聚合物分子其大小也和典型的蛋白质相近，但它们不像蛋白质那样容易破碎或展开，因为它们是由更牢固的化学键结合在一起的如同已长大的树木有着繁茂的树冠，树形聚合物分子也有许多孔隙。也就是说，树形聚合物分子有着大量的内曲面面积。有趣的是，可以把树形聚合物分子制作得含有多种不同大小的空穴用它们来装治疗用药可谓完美无缺。还可以把树形聚合物分子设计制作得可将DNA输送进要作基因治疗的细胞内，并且它们发挥作用时或许会比另一种引导手段——遗传修饰病毒——更安全。

其它类型的纳米结构也有大量的内曲面面积，并且它们也有可能证明可用来将药物输送到所需之处。然而，它们当中，以树形聚合物分子的可控度和适应性为最大(强)。有可以把树形聚合物分子设计得只在适当的触发分子存在的情况下自动地膨胀并释放出药物。这种性能还可能使定制的树形聚合物分子恰好在需要治疗的组织或器官内释放出其运载的药物。

还有其它初露端倪的用于输送药物的纳米结构，包括德国马克斯·普朗克胶体与界面研究所的Helmuth Mohwald正在研究的中空的聚合物封壳。在对某些信号作出反应时，这些封壳会膨胀或收缩，从而释放出药物。赖斯大学的研究人员最近发明了所谓的“纳米外壳”，它们也很令人感兴趣。

纳米外壳是极小的玻璃泡，其外表镀有一层金。虽然纳米外壳可以制作得能够吸收几乎任何一种波长的光，但能够吸收近红外光的纳米外壳却最令人感兴趣，因为近红外光很容易穿透几厘米厚的组织。因此，注入体内的纳米外壳可以用体外的强力近红外光源加热。把纳米外壳安装在用热敏聚合物制成的封壳内，这样制成的纳米外壳就能以特定的时间输送药物。只有当被安装在封壳内的纳米外壳因受到轻微加热而变形时，封壳才会释放出药物。

设想中的纳米外壳另一个更为引人注目的用途是治疗癌症。人们的设想是，将镀金的小球与专门和癌细胞结合的抗体相结合，从理论上讲，将纳米外壳充分加热，就能杀灭癌细胞，同时其附近的健康组织则安然无恙。

当然，难以确知的是，纳米外壳最终能否实现其希望在为医疗用途而研制的其它无数种微型装置其前途同样难以把握的，其中包括仅用数十个碳原子制成的l纳米大小的巴基球。然而，似乎很有可能的是，这些目前正在研究的物品将在不远的将来给医生带来帮助。更激动人心的是下述前景：医生将利用纳米级部件来构成更大的结构，从而模拟天然的生物学过程。这类材料或许最终还能用来修复受损的组织。虽然针对这些大胆方法的研究刚刚开始起步，但至少有一项计划已经证明，这一设想是有价值的，那就是在人工建成的架子上培养形成骨组织。西北大学的Samuall Stupp正率先研究这种方法，他利用的是能结合成纤维的合成分子，骨细胞有固着在这类分子上的强烈倾向。

纳米技术将来还能带来哪些奇迹？尽管实现这些奇迹的方法还极不清楚，但严肃的纳米技术专家已确定了一些堪称雄心勃勃的目标。“美国国家纳米技术计划”所提出的“大难题”之一，就是要找到能检测出仅仅只有几个细胞大小的癌肿的方法。研究人员还希望，最终能够创造出多种方法，以便不仅能够再生骨组织、软骨和皮肤，同时也能再生更为复杂的器官，还能采用人造架子来引导作为种子的细胞的活动，甚至引导各种不同类型细胞的生长。虽然用这种方法来替换心脏、肾脏或肝脏或许比不上《奇异的旅行中》那种虚构的技术，但这类医疗方法实际上可以在不太遥远的将来变为现实一看法却仍然令人激动不已。

【杨海／译 冉隆华／校】