互动科普

纳米医学正在创造对抗癌症、治疗创伤和把药物导入细胞的新方法。

DNA分子是生命的蓝图，直径大约为25亿分之一米。现在，科学家已经有能力操纵和制造类似尺度的分子，还能制造出以前所未有的精度感知这些分子的设备。这些技术源于过去十年的艰苦工作，现在，在它们的基础上，新药和新的疾病诊断方法正在不断出现。在这篇特别报道中，《科学美国人》探讨了纳米医学现在正给我们带来什么，很快会有什么新进展，以及未来很可能是什么样的。

现在，化疗是主要的焦点。在其他药物对病人无效的情况下，凭借精巧的结构进入肿瘤内部的药物已经获得了一些成功（见《癌症药物直击靶心》）。诊断检测也可以利用纳米材料，比如，拥有特殊结构的DNA探针能以极高的精度检测出癌症。接下来，在不远的将来，病人可以使用由纳米分子制成的智能绷带，促进严重伤口的康复，或者在康复遇阻时通知医生（见《智能绷带》）。在更遥远的未来，研究人员希望将微小的分子马达连在药物上，驱动药物穿过血液到达目标（见《启动吧，纳米机器人》）。这些都是纳米工程的丰功伟绩，虽然肉眼无法看到，却对人类健康有着极为重要的影响。

智能绷带

纳米材料制成的绷带不仅能盖住伤口，还能向医生发出警报并自动给药。

当受伤的士兵从阿富汗战场归来时，他们得到了很好的照顾。在得克萨斯州圣安东尼奥军事医学中心，外科医生们仔细地把健康组织移植到士兵们的烧伤或机械伤创口上，用显微外科手术把血管和新皮肤连接起来。但这些病人的康复状况仍不确定。血管提供的氧气或许不足以让移植组织健康生长。

哈佛大学医学院和麻省总医院威尔曼光医学中心（Wellman Center for Photomedicine）的化学家康纳·埃文斯（Conor Evans）在2010年访问圣安东尼奥时见到了这些士兵。他意识到，监测伤口氧水平的传统技术效果不够好，当移植组织出问题时，也不能及时发出警报。“这些医生做得非常棒，”埃文斯说，“但他们用的传感器难以让人满意。”

所以，埃文斯发明了一种更好的绷带。他和同事首先找到了可以对不同氧水平作出反应的染料，再加入可以控制染料活性的纳米分子，用它们制造出了可以显示伤口健康状况的液体绷带。根据伤口当前的氧含量，“这个绷带可以像交通灯那样从绿色变成黄色、橙色和红色，”埃文斯说。2014年，这种绷带在动物实验中获得了成功，人体试验也将在2015年开始进行。

有了能够操纵纳米材料的新技术，埃文斯这样的科学家不仅能改进快速评估健康状况的方法，他们还能把伤口敷料（wound dressing）变成精确的给药系统。麻省理工学院的化学家波拉·哈蒙德（Paula Hamond）说：“纳米技术的作用很关键，在其帮助下，我们可以控制药物释放量，并把药物送到我们想让它们到达的伤处。”与让药物遍布全身，但只有一部分能到达目标的方法相比，精确给药的优势非常明显。

让伤口获得更多的氧气

由缺氧导致的伤口愈合问题每年会影响到600多万美国人，相关的医疗费用据估计会到达250亿美元。医生一般会把电极探针扎入受伤的组织中，测量组织的含氧量。不过，扎针会带来疼痛，而且只能获得大片伤口中某个点的读数。与之相反，埃文斯的绷带可以立刻获得整个伤口的氧含量分布图。

埃文斯的绷带是一种可以直接涂抹在伤口上的速干液体绷带，它的功能依赖于两种混合在绷带内的染料。短暂的蓝光脉冲可以激发并点亮这两种染料：一种染料发红光，另一种则会发出绿光。不过，如果有氧分子存在，红色染料则无法发出磷光，因此当绷带附近的组织有充足的氧，并保持健康的时候，绷带看上去是绿色的。而如果伤口区域缺氧，黄色和橙色的色斑就会出现，并最终出现报警的红色。

警报的关键是红色染料分子的纳米添加剂。埃文斯将每个红色染料分子和一个树状分子偶联起来。这些树状分子有长度不超过2纳米的分叉结构。有了这样的结构，红色染料便不会相互重叠，也不会相互灭掉各自的磷光，还能在物理结构上阻止部分（不是全部）氧分子接触到染料，因此当含氧水平较低时，染料分子的颜色变化看起来更明显。

在医院里，红色的警报会提示护士给绷带拍照，医生则会试图改善问题部位的血液和氧气循环。原则上，在家里也能用这种绷带。埃文斯说，病人可以自己为绷带拍照，并把照片传给医生进行评估。

埃文斯的团队还发明了其他染料，这些染料能更高效地把蓝光转化为红光。埃文斯说：“我们的新绷带非常亮，在日光照射的房间里，只需要一点染料就能看见颜色的变化。”未来，甚至还有可能设计出可以把治疗药物释放进伤口里的绷带，埃文斯补充说。

自动释放药物

在哈蒙德的实验室，研究人员已经给绷带加上了用纳米技术制造的治疗性物质。他们还发明了可以缓慢释放RNA和蛋白质的药物涂层，这些RNA和蛋白质可以抑制某些妨碍伤口愈合的细胞活动。例如，有些名为小干扰RNA的RNA分子可以妨碍某些基因的活动，让它们无法生产会引发麻烦的蛋白质。

哈蒙德的团队还把一些RNA包裹在直径200纳米的磷酸钙外壳里，再用两层由生物分子组成、带正电荷的高聚物把磷酸钙外壳夹在中间，并在这个“三明治”结构的一侧涂上带负电荷的粘土。（相反的电荷可以让这几层材料粘在一起。）把25个这样的“三明治”叠在一起，就可以形成约半微米厚的涂层。哈蒙德把这层涂层添加到了普通的尼龙绷带上。

随着身体自带的酶将这几层材料分解，绷带敷料会在一周时间里逐渐把RNA分子释放到伤口内。缓慢而稳定的释放可以减轻单次大剂量用药带来的副作用。这种药物释放方法还能保证伤口得到持续不断的治疗。

哈蒙德还用这种多层敷料为糖尿病小鼠提供促进伤口愈合的治疗性蛋白。现在已经有含这种蛋白质的药膏了，但哈蒙德表示这种配方效果不是很好——药膏开始会在短时间释放大量蛋白质，然后在24个小时之内失去活性。而哈蒙德的绷带与之完全不同，它能稳定地在5~7天内维持最理想的蛋白质释放剂量。

多涂层方法还能改进冠心病的治疗方法。这种疾病是血小板堆积在为心肌输送血液的血管中而导致的。常见的治疗方法一般是用可充气的气囊撑开动脉，并植入不锈钢网做成的细管（也就是心脏支架）保持血管畅通。有些心脏支架装载了治疗性分子，防止动脉再次变窄，但是病人必须服用更多的药物，降低血管壁上脱落的血栓带来的风险。

威斯康星大学麦迪逊分校的化学家戴维·林恩（David Lynn）认为，用纳米涂层巧妙地释放DNA药物修复动脉，是治疗这类疾病的更好方案。在体内，这些DNA可以帮助细胞生产能够稳定并重建血管壁的蛋白质。为了在正确的时间精确地把这些DNA药物送到正确的位置，林恩在支架上交替包裹多层DNA和可生物降解的高聚物，每层都有几纳米厚。研究人员可以通过改变层数来控制释放到血管壁里的DNA总量。在猪身上进行的实验显示，在植入支架后的几天时间里，DNA会逐渐渗透到周围的组织中。其他试验表明，精细调节涂层的设计方式，可以改变释放速率。“我们现在已经有了合理的控制方法，通过改变高聚物的结构或材料层的叠加方式，我们可以把药物释放过程控制在几秒到几个月之间的任意时间长度内。”

这些发明背后的基础纳米工程学也可以应用到许多其他领域。林恩正在用高聚物涂层输送一类叫作肽的生物分子，这些分子可以干扰细菌之间传递的化学信号。而切断细菌之间的联系，就可以阻止它们聚在一起形成能够抵挡抗生素的生物膜。埃文斯正尝试用他的磷光染料从组织样本中识别出乏氧肿瘤细胞，这类肿瘤细胞对化疗药物有特别强的抵抗力。埃文斯计划在今年晚些时候用动物测试这种方法。同样的染料技术也可用来探测伤口组织里的感染细菌和其他类型的分子。“真的，这种技术潜力无限，”埃文斯说。

从长远来看，纳米医学的研究人员对未来的设想之一，就是可以靠自己的动力智能航行到人体内任何特定目标（绝不会走错地方）、极其微小的治疗工具。当到达目标后，这些自动机器就可以发挥多种作用——比如输送搭载的药物，或实时报告它们的治疗过程的进展情况。在完成任务后，它们还会被安全地生物降解，几乎不留痕迹。这些纳米机器人（nanobot）由具有生物相容性的材料、磁性金属，甚至DNA纤维制成。研究人员根据这些材料在原子尺度上的有用性质，谨慎地把它们挑选出来。这些材料还必须不受身体防御系统影响，也不能导致细胞受到损伤。

尽管医学研究人员还需要10年或20年才能达到这一目标，他们已经开始着手解决一些相关的技术难题。最大的挑战之一就是要保证纳米设备能找到体内的目标。

外部力量驱动

现在市场上的大部分药物都可以轻松地随着血液在体内流动。这些药物要么被直接注射到血液里，要么以药片的形式，通过消化道被吸收到血液里。但它们最终既会抵达需要它们的地方，也会到达能产生副作用的地方。与此相反，精巧的纳米药物，按照设计可以被引导至肿瘤或身体其他出问题的地方，在抵达目的地后才会释放药物，这样就能降低副作用出现的几率。

加利福尼亚大学圣迭戈分校的纳米工程学主席和杰出教授约瑟夫·旺（Joseph Wang）表示，短期内，可用于引导纳米药物的技术中，磁场和超声波是最具竞争力的候选者。用磁场方法的话，研究人员会把氧化铁或镍等材料的纳米颗粒嵌入某种药物中。然后把永磁体的阵列置于小鼠等实验对象体外，调节磁场的强度和方向，引导金属药物在体内移动。用超声波方法的话，研究人员会把声波指向含有药物的纳米泡，致使其破裂。纳米泡破裂时会产生足够强的力，让泡中的药物渗透到目标组织或肿瘤的深处。

去年，英国基尔大学和诺丁汉大学的医学研究人员为了让断骨康复，对磁场方法做了一些改进。他们把氧化铁纳米颗粒粘附在单个干细胞表面，并把这些干细胞注射到两种不同的实验环境中：一种是体外培养的鸡胚股骨，另一种是用改造过的胶原蛋白水凝胶制成的合成骨架。然后，研究人员使用外部震荡磁场迅速改变纳米颗粒所受的机械应力，而纳米颗粒又会把力传导到干细胞上。这种生物机械应力能帮助干细胞更高效地分化成骨骼。两种实验环境中都有新骨生成，尽管总体的康复效果不同。基尔大学医学科学技术研究所的博士后研究员詹姆斯·汉斯托克（James Henstock）表示，研究人员希望最终能向粘附了氧化铁的干细胞添加多种生长因子，让骨骼修复过程更平稳流畅。

自带动力

磁场方法和声波方法最大的缺点是需要外部的引导，这样很不方便，而且磁场和超声波不能深入身体内部。开发出一种能够运输治疗药物的自动“微型机器人”就可以克服这些问题。

这样的微型机器人需要靠化学反应提供推力，不过毒性是个问题。例如，血液中氧化的葡萄糖可以产生过氧化氢，过氧化氢就可以用作燃料。但研究人员知道这种方式不能长期使用。因为过氧化氢会损伤活组织，而且体内的葡萄糖也不能产生足够多的过氧化氢确保微型发动机的能量供应。用其他天然物质当能源前景更好一些，这些物质包括胃酸（可以给胃里的纳米机器人提供能量）和水（在血液和组织中都很充足）。

不过，为这些自带动力的设备提供精确的导航是个更大的难题。纳米颗粒可以四处移动，并不代表它们一定能到达研究人员希望它们去的地方。现在还做不到自动导航，不过有一个可以绕过导航问题的方案，就是让纳米药物只在正确的环境中激活。

为了做到这点，研究人员开始用由人工合成的DNA制造纳米机器。科学家们调整了DNA的亚基，这样它们就能在自身静电的作用下折叠成一个特殊的结构。科学家可以改造这个结构，使它能完成多种任务。例如，有些DNA片段可以自己折叠成容器的形状，只有碰到某个对疾病过程非常重要的蛋白，或是遭遇肿瘤内部的酸性环境时，才会打开并释放容器里的物质，芝加哥大学的化学教授亚穆纳 · 克里希南（Yamuna Krishnan）说。

克里希南和她的同事希望造出更先进的、由DNA构成的模块化单元。这些模块可以通过编程执行不同的任务，例如成像，甚至是组装成其他纳米机器人。不过，合成DNA很贵，成本约比传统的药物输送材料贵100倍。因此，在现阶段价格因素阻碍了制药公司将之作为候选疗法进行投资，克里希南说。

所有的这些距离微型智能潜艇舰队（就像1966年的电影《神奇旅程》中的“海神”号那样）还很遥远。不过，纳米机器人最终还是会朝着那个方向前进。