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1、1,纳米生物技术及其应用,北京航空航天大学生物与医学工程学院李舟 副教授,2,3,分子生物学是当今生命科学发展的主流和带头学科，其研究的焦点是生物大分子，尤其是蛋白质和核酸的结构与功能。,DNA,RNA,4,从分子的微观角度来看，目前的医疗技术尚无法达到分子修复的水平。而纳米医学则是在分子水平上，利用分子工具和人体的分子知识，创造并利用纳米装置和纳米结构来防病治病，改善人类的整个生命系统。例如：修复畸变的基因、扼杀刚刚萌芽的癌细胞、捕捉侵入人体的细菌和病毒，并在它们致病前就消灭它们；探测机体内化学或生物化学成分的变化，适时地释放药物和人体所需的微量物质，及时改善人的健康状况。最终实现纳米医学，
2、使人类拥有持续的健康。,5,一、在诊断方面的应用,1、遗传病诊断 纳米技术有助诊断胎儿是否有遗传缺陷。妇女怀孕8个星期时，血液中开始出现少量胎儿细胞。利用具有纳米级大小孔洞的半透膜或特殊的合成纳米管等，可把胎儿细胞分离出来进行诊断。不需要进行羊水穿刺。目前美国已将此项技术应用于临床诊断中。2、病理学诊断 肿瘤诊断最可靠的手段是建立在组织细胞水平上的病理学方法，但存在着良恶性及细胞来源判断不准确的问题。利用原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)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纳米级结构改变，以解决肿瘤诊断的难题。,6,目前，已有多种原子
3、力显微镜问世，AFM克服了STM只适用于具导电性样品的不足之处。,7,二、在治疗方面的应用,1、纳米化增加药物吸收度 增大药物的表面积促进溶解。药物大分子就能穿透组织间隙，也可以通过人体最小的毛细血管。而且分布面极广。应用于中药制剂。药物的物理活性、靶向性比普通中药大大提高。2、纳米医用材料目前广泛使用的人工心脏瓣膜，是由钛金属与不锈钢合金所构成，但在移植入人体后仍有损坏的可能性。结晶纳米氧化锆是一种具有高度抗生物损耗的替代材料。银在纳米状态下的杀菌能力产生了质的飞跃。只需用极少量的纳米银即可产生强力的杀菌作用。,8,纳米骨材料：把它植入体内填充各类型的骨缺损，其网状结构可生长出很多新生的骨细
4、胞，所有填的纳米骨材料，最后会降解消失，骨缺损部能完全被新生骨取代。,具有纳米级别的天然骨分级结构和天然骨的多孔结构,9,智能药物,这是纳米医学中的一个非常活跃的领域，适时准确地释放药物是它的基本功能之一。863计划项目“心血管病与糖尿病多指标微流控芯片检测系统的研制”，为糖尿病人研制超小型的、模仿健康人体内的葡萄糖检测系统，它能够被植入皮下，监测血糖水平，在必要的时候释放出胰岛素，使病人体内的血糖和胰岛素含量总是处于正常状态。研究控制这个芯片的尺寸，可以把它做得更小，并计划装上一个“智能化”的传感器，使它可以适时和适量地释放药物。美国正在设计一种纳米智能炸弹，它可以识别出癌细胞的化学特征。这
5、种智能炸弹很小，仅有20纳米左右，能够进入并摧毁单个的癌细胞。,10,人工红血球,纳米医学不仅具有消除体内坏因素的功能，而且还有增强人体功能的能力。我们知道，脑细胞缺氧6至10分钟即出现坏死，内脏器官缺氧后也会呈现衰竭。设想一种装备超小型纳米泵的人造红血球，携氧量是天然红血球的200倍以上。当人的心脏因意外，突然停止跳动的时候，医生可以马上将大量的人造红血球注入人体，随即提供生命赖以生存的氧，以维持整个机体的正常生理活动。它可以应用于贫血症的局部治疗、人工呼吸、肺功能丧失和体育运动需要的额外耗氧等。,随着转子的转动，气体分子与转子上的结合位点结合再释放到血浆中。,11,纳米药物输运,纳米微粒药
6、物输送技术也是重要发展方向之一。目前，有半数以上的新药存在溶解和吸收的问题。863计划项目“纳米药物制剂的生物效应研究”，当药物颗粒缩小时，药物与胃肠道液体的有效接触面积将增加，药物的溶解速率随药物颗粒尺度的缩小而提高。利用纳米晶体技术将药物颗粒转变成稳定的纳米粒子，提高溶解性和难溶性药物的药效率。,同时，纳米药物制剂的赋形剂在胃肠道中起表面活性剂的作用，也提高了纳米药物颗粒的溶解率。一旦，不溶性药物转变成稳定的纳米颗粒，就适合于口服或者注射了。,12,捕获病毒的纳米陷阱,密西根大学的Donald Tomalia等已经用树形聚合物发展了能够捕获病毒的纳米陷阱。体外实验表明纳米陷阱能够在流感病毒
7、感染细胞之前就捕获它们，同样的方法期望用于捕获类似爱滋病病毒等更复杂的病毒。此纳米陷阱使用的是超小分子，此分子能够在病毒进入细胞致病前即与病毒结合，使病毒丧失致病的能力。通俗地讲，人体细胞表面装备着含硅铝酸成分的锁，只准许持钥匙者进入。不幸的是，病毒竟然有硅铝酸受体钥匙。Tomalia的方法是把能够与病毒结合的硅铝酸位点覆盖在陷阱细胞表面。当病毒结合到陷阱细胞表面，就无法再感染人体细胞了。陷阱细胞由外壳、内腔和核三部分组成。内腔可充填药物分子；将来有可能装上化疗药物，直接送到肿瘤上。研究者希望发展针对各种致病病毒的特殊陷阱细胞和用于医疗的陷阱细胞库。,13,识别血液异常的生物芯片,美国圣地亚国
8、家实验室发现纳米技术可以在血流中进行巡航探测，即时地发现诸如病毒和细菌类型的外来入侵者，并予以歼灭，从而消除传染性疾病。Micheal Wisz做了一个雏形装置，发挥芯片实验室的功能，它可以沿血流流动并跟踪像镰状细胞血症和感染了爱滋病的细胞。血液细胞被导入一个发射激光的腔体表面，从而改变激光的形成。癌细胞会产生一种明亮的闪光；而健康细胞只发射一种标准波长的光，以此鉴别癌变。,14,纳米技术在生物大分子研究中的应用,1.纳米级生物分子的观测以往对于纳米尺度上的生物大分子结构的研究主要通过电子显微镜观察和X射线晶体衍射等方法来实现的，但这些方法都有局限之处。电子显微镜要求有一定的真空干燥制样条件，
9、而且在观测中电子束对生物样品有损伤；X射线晶体衍射方法具有很高的分辨率，但它要求样品能够结晶，且样品需求量较大。,纳米技术与扫描探针显微镜(SPMs)相结合，能观察、制造原子水平物质结构，直接在亚细胞水平或分子水平研究生命现象。常用的有扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM），是目前探测生物单分子的有力工具，所提供的图象可在近自然的大气或液体条件下，在纳米水平的分辨率上展示生物分子的结构，同时具有高度的直观性以及三维表面信息。,15,STM的基本原理是量子的隧道效应，它利用金属针尖在样品的表面上进行扫描，通过探测固体表面原子的隧道电流来分辨固体表面的形貌。它的缺点是观测的样品必须有导电
10、性。AFM的工作原理是通过探针针尖与样品表面轻轻接触，针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，使悬臂产生微小偏转。通过检测这种微小偏转可以获得其对应于扫描各点的位置变化，从而得到样品表面形貌。AFM能测量非导电的样品，还能测出分子间的作用力的大小。,16,2.DNA合成过程、基因调控过程的STM研究 3.质粒DNA及其与限制性内切酶相互作用的研究 4.对染色体的AFM研究 5.对生物分子之间及分子内部的力的测量 6.生物大分子动态过程的研究,17,7.生物大分子的直接操纵和改性DNA分子是全部遗传信息的携带者，因而DNA分子操纵成为生命科学、物理学等多学科的共同热点。DNA操纵包括：（
11、1）DNA链的原子力切割。利用原子力显微镜AFM在几年前已经实现了DNA分子链的原子力切割，可不受DNA序列的限制，在任何部位进行纳米级的精确切割。（2）DNA分子链的拉直操纵。其实现方法很多，主要有以下三种：静电场法。在一定强度的电场下，可拉直小片段的DNA。激光镊子法。在DNA的两端点粘上微小的颗粒，可通过激光镊子将其展开。分子梳法。通过受压的液体流动产生的流体力可将DNA链进行拉直操纵，与双色荧光标记法结合成为基因研究中的有力工具。,18,纳米生物技术的工程应用,1.生物芯片技术 生物芯片是基因生物学与纳米技术相结合的产物，它不同于半导体芯片，它是在很小的几何尺度的表面积上，装配一种或集
12、成多种生物活性分子，仅用微量生理或生物采样，即可同时检测和研究不同的生物细胞、生物分子和DNA的特性，以及它们之间的相互作用，获得生命微观活动的规律。生物芯片可以粗略地分为细胞芯片、蛋白质芯片（生物分子芯片）和基因芯片（DNA芯片）等几类，都有集成、并行和快速检测的优点，已经成为21世纪生物医学工程的前沿科技。细胞芯片：利用芯片表面微单元的几何尺寸和表面改性，选择和固定细胞及细胞面密度控制。通过调节细胞间距等，研究细胞分泌和胞间通讯。此类细胞芯片还可以用作细胞分类和纯化等。,19,蛋白质芯片（生物分子芯片）将生物分子作为配基，以单一、或面阵、或序列方式固定在固体芯片表面或表面微单元上。利用生物
13、分子间的特异结合的自然属性，待测分子与配基分子在芯片表面会形成生物分子复合物。然后，检测此复合物的存在与否，达到对蛋白质的探测、识别和纯化的目的。,多元蛋白质芯片模型1）在格式化的改性表面上，固定配基；2）含配基的芯片与蛋白溶液相互作用，蛋白特异性结合形成蛋白复合物；3）对芯片进行检测以确定蛋白间的相互作用。,20,DNA芯片又称为寡核苷酸阵列或杂交阵列分析，它是根据DNA双螺旋原理而发展的核酸链间分子杂交的技术。实际上，DNA芯片是一种特殊的分子操纵，即将DNA子片段集约固化在固体表面上以构成DNA芯片，是一种储存和处理生命信息的新概念。它的基本结构类似于面阵型蛋白质芯片，在芯片表面能够制备
14、成千上万的基因单元作为配体，对待测基因进行筛选。待测基因通过PCR扩增技术得到数量放大，再进行荧光标记，使其在筛选过程中产生可识别的荧光发射或光谱转移。此荧光信号被荧光显微镜检出，达到基因识别的目的。将已知的DNA和未知的核酸序列之间的一方以有序的阵列固定到载玻片或硅片上，再与荧光标记的另一方进行杂交。当荧光标记的一方在DNA芯片上发现互补序列时即发生杂交，杂交的结果以荧光和模式识别分析来检测。DNA芯片技术可以快速分析大量的基因信息，从而使生物医学工作者可以研究并收集基因表达和变异信息。,研究蛋白相互作用的芯片 Protein G、p50和FRB等三种蛋白分别以点状阵列固定到玻片上。三种探针
15、分别与三种蛋白发生特异性相互作用。D表示无任何探针的状态。,21,DNA芯片还可用于监测不同的人体细胞和组织基因表达，以检测癌症或其它疾病所对应的基因的变化。随着DNA芯片及杂交技术的发展，DNA芯片将有可能直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。,基因表达的微阵列图：以两种颜色的荧光标记来自于两种细胞的样品，杂交后，对微阵列的每一位点进行荧光扫描。每一位点的光强度正比于它所结合的荧光cDNA的量。光强越强，样品中该基因的表达水平越高。如微阵列的位点无荧光，说明两种细胞均不表达该基因。如某一位点显示一种荧光，说明该标记的基因只在此细胞样品中表达。同一位点显示两种荧光，说明该基因在两种细胞样
16、品中均表达。,22,所谓分子马达即分子机械，是由生物大分子构成并利用化学能进行机械做功的纳米系统。分子马达包括线性推进和旋转式两大类。其中线性分子马达是将化学能转化为机械能，并沿着一条线性轨道运动的生物分子，主要包括肌球蛋白、驱动蛋白、DNA解旋酶和RNA聚合酶等。,肌肉肌球蛋白和驱动蛋白的运动周期模型,2.分子马达,美国波士顿大学的化学家制备出世界上最小的马达，该分子马达由78个原子构成,23,旋转式分子马达工作时，类似于定子和转子之间的旋转运动，比较典型的旋转式分子马达有F1-ATP酶。F1-ATP酶与纳米机电系统的组合已成为新型纳米机械装置，可完成在血管内定向输送药物、清除血栓、进行心脏
17、手术等复杂工作。了解分子马达的运动机制，可以用来探索能够对分子马达的运动有促进或抑制作用的一些小分子作为药物设计的新思路。例如紫杉醇就是由于对微管蛋白分子马达的运动有干扰，而成为抗癌药物的明星。,24,美国康耐尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备“纳米直升机”。该设备共包括三个组件，两个金属推进器和一个附属于与金属推进器相连的金属杆的生物分子组件。其中的生物分子组件将人体的生物“燃料”ATP转化为机械能，使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈。将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。,25,3.纳米机器人,纳米技术与分子生物学的结合将开创分子仿
18、生学新领域。“纳米机器人”是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，如酶和纳米齿轮的结合体。这种纳米机器人可注入人体血管内，进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，吞噬病毒，杀死癌细胞；还可进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的，把正常的安装在基因中，使机体正常运行。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置。第三代纳米机器人是包含纳米计算机，可以进行人机对话的装置。一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。,26,Molecular-
19、scale machines could one day have medical applications such as removing cancerous cells.Nature 451,770-771(14 February 2008)|,利用氨基酸为原料，按照分子设计组成线状肽链，合成所需的蛋白质“零件”。由于线状肽链能在一定的条件下自动转变成特定的三维结构，所以便于制备成具有特定功能的生物零件。进一步利用肌细胞的纤维结构骨架和纤毛结构（运动部件），还可以制备有支撑、牵引和杠杆功能的零件并以酶为核心统一成具有特定功能的结构，即形成生物机器。这些纳米机器人以光感应器作为开关，从溶解
20、在血液中的葡萄糖和氧气获得能量。,27,模拟酶机器人：酶是生物催化剂，生命过程的每一个化学反应都有一个相应的酶进行催化，所以生命现象就是成千上万个在功能上有相互协调关系的酶分子井然有序地表现催化功能的结果。生物体内的酶所催化的反应几乎涵盖了自然界所有的化学反应类型。因此，模拟酶分子制造纳米机器人用于净化环境和对工业化学反应进行催化是一个巨大的潜在生长力。“生物导弹”机器人：生物导弹模仿膜囊泡转运蛋白质的功能，它把不能分辨好坏细胞的抗癌药物包裹在脂微囊中，并在微囊表面植入一种专门与癌细胞结合的标记分子。如此设计的生物导弹，就是在血液中或细胞间隙游走的纳米机器人，以便专门清除血管壁上沉积物，减少心
21、血管疾病的发病率；它一旦遇到癌细胞就会抓住不放并钻入细胞中释放抗癌药物杀死癌细胞。,28,在血管中运动的纳米机器人，正在使用纳米切割机和真空吸尘器来清除血管中的沉积物。,纳米机器人消灭癌细胞虚拟图,29,模仿线粒体机器人：模仿线粒体制造的纳米机器人将可能为医学的发展作出重要贡献，因为人们已经发现线粒体与衰老、运动疲劳以及很多与衰老相伴而生的疾病如糖尿病、帕金森氏并等有很重要的关系。基因修复机器人：分子病理学的研究将揭示疑难病的分子基础，很多疑难病都是和某种酶分子的缺陷或酶分子的活性不能顺利表现有关。应用纳米技术可以在微小空间重新排列基因遗传密码，利用基因芯片迅速查出人的基因密码中的错误，并迅速
22、利用纳米技术将错误基因进行修正，治疗遗传缺陷疾病。另外，纳米技术还可以通过观测直接发现遗传缺陷或病毒中原子或分子结构的缺陷，并通过分子手术将有缺陷的部分切割去除，然后再将好的原子和分子结构移植上去，这样可以从根本上治愈遗传缺陷或病毒。,30,生物计算机：生物计算机是纳米生物学的一个重要研究领域，其主要研究目标是寻找或创造一些特定的生物分子，并期待这些生物分子能够更加快速地完成计算机的基本运算和存储功能，代替目前的半导体计算机中央处理器（CPU）和存储器。研究表明，以蛋白质分子为材料制造的生物计算机，不仅体积小，质量轻，能耗小，环境适应性强，而且运算速度和信息储存能力比现有的计算机要高出数亿倍。
23、同时还具有和人脑一样非常优越的分析、判断、联想、记忆等智能。DNA计算机将利用DNA分子这些独特的遗传信息传递方式来实现计算机的计算功能。DNA分子中遗传密码相当于存储的数据，DNA分子之间可以在某种酶的作用下瞬间完成生化反应，从一种基因代码变为另一种基因代码。如果将反应前的基因代码作为系统的输入数据，而将反应后的基因代码作为运算结果的话，那么只要控制得当就可以利用这种反应过程制成DNA计算机。基于分子反应的DNA计算机运算速度极快，科学家认为，它几天的运算量就可相当于计算机问世以来世界上所有计算机的总计算量。另外，由于每个DNA分子都含有大量的基因，因此DNA分子的存储容量将是十分巨大的，如
24、1m3的DNA溶液可存储1万亿亿比特的数据，这将超过目前所有计算机存储器容量的总和。不仅如此，DNA计算机所消耗的能量却小的出奇，只有普通半导体计算机的10亿分之一。,31,纳米机器人应用前景,动脉粥样硬化的治疗 机器人能够从动脉壁上清除粥样沉积物。这不仅会提高动脉壁的弹性,还会使通过动脉的血液流动状况得到改善。肾结石、胆结石的治疗 将纳米机器人以插入导管的方式引入 到尿道或胆道里内,直接到达结石所在 的部位,并且直接把结石击碎。检查体内疾病,像一颗胶囊，把它吞进肚里，消化道内的情景就可以像放电影一样在电脑屏幕 上一 目了然。,纳米机器人在清理血管中的有害堆积物,32,纳米机器人进入人体消化系
25、统工作示意图目前还只能钻进人的肚子里通过传输图像“瞧病”，还不能治病。机器人医生在未来三年内：当机器人医生发现可疑病变组织后，立即能伸出“手”来取样进行活检,33,4.生物大分子的物质装配及应用S-层蛋白通过分子表面修饰或作为基质，用于识别、固定、配对和调节单分子作用。另外，可以直接用于基因操纵，利用已知的功能多肽重新装配成新的同类生物膜或酶类，离子电极，微粒载体，生物传感器，疫苗，诊断等，为组织更新提供生物相容性和生物降解性。5.反义核酸技术的应用反义寡核苷酸（Antisense oligonucleotide，AONs）能特异性阻断基因表达，但不稳定，易被体内细胞中的核酸酶消化，为达到治疗
26、目的，需不断向体内注射AONs以保证其有效治疗浓度。近来用纳米粒作为反义核苷酸载体的研究相当多。研究表明，AONs可以比较容易地与亲脂性的生物降解型高分子纳米粒相结合，或者被包裹在某些亲水性体系（如海藻酸的纳米系统）中。AONs经过化学修饰增加亲脂性后也有利于与高分子NP的结合；AONs与纳米粒结合后，可以保护其不受酶的破坏，增加对细胞内的通透性，并明显改变AONs的体内分布特征。纳米药物分子运输车：http:/,34,纳米技术在基因转运与基因工程中的应用,1.纳米技术在基因导入治疗中的应用基因治疗是生物治疗的重要组成部分,是当前生物医学的研究热点。但其面临的严峻挑战之一是基因治疗的载体系统。
27、目前,用于基因治疗的基因转移载体有:反义核酸、质粒DNA、重组病毒载体等,但各有载体互有利弊。反义核酸、质粒DNA 转移效率低,易被核酸酶降解,而病毒载体则有安全性和免疫原性等方面的劣势。因此,发展新型的安全、高效的基因治疗载体系统显得非常关键。纳米基因载体一般由具生物兼容性、可生物降解的纳米生物材料制备,基本无毒性,无免疫原性,体内可以代谢降解,生物安全性好。,35,核苷酸保护作用：裸DNA、寡核苷酸在体内可被核酸酶迅速降解。纳米脂质体和纳米粒可以通过表面电荷吸附作用或通过包裹负载核酸分子，提高核酸分子对核酸酶的抵抗性。如聚氰基丙烯酸烷基酯阳离子纳米粒负载的反义寡核苷酸在细胞培养基中具有抗核
28、酸酶的作用,阻止了寡核酸的降解,静脉给药体内的稳定性显著提高。提高细胞摄取率：细胞主要是通过胞吞作用将负载外源基因的载体主动摄入细胞内。大量实验研究表明细胞对载体的摄取效率有明显的尺寸依赖性。纳米级的基因治疗载体显著提高了细胞的摄取,目的基因的表达水平。载体通过胞吞进入细胞内后,如何实现溶酶体的逃避,以及细胞核内的定位亦是提高基因治疗效率的关键问题。一些纳米材料制备的载体,如加入聚赖氨酸的脂质体、聚乳酸-聚乙醇酸共聚物（PLGA）纳米粒等在内吞溶酶体内酸性的环境中,可以干扰溶酶体膜的完整性,逃避核酸酶降解,以利于进入胞核表达负载的基因。,36,缓释、控释性基因传递：载体在体内的循环时间受载体粒
29、径大小影响。传统的载体经静脉注射后,大部分被机体网状内皮细胞系统(RES)迅速摄取,限制其靶向其他部位。纳米粒在体内的循环时间可明显延长。如纳米脂质体的表面修饰亲水性材料,如聚乙二醇(PEG),能在载体表面形成水化层,降低调理素作用,减少肝脏巨噬细胞的吞噬,使其兼有长循环和立体稳定的特性。纳米粒载体由可降解的高分子材料合成,不同的纳米材料有不同的降解速率。组织细胞摄取了纳米粒后,通过高分子材料的逐渐降解,释放出所负载的核酸分子。根据所选用的材料在体内的水解速度不同,可实现所负载核酸分子的可控、缓慢释放,如PLGA纳米粒载体可通过逐渐水解使目的基因缓慢释放达一月之久。靶向性修饰：加强基因治疗的靶
30、向性,是目前基因治疗面临的挑战之一。靶向性基因转移载体可有效提高了基因传递的特异性,降低治疗副作用。纳米基因载体靶向性可分为主动靶向性和被动靶向性。由于纳米基因载体在肿瘤、炎性病变部位组织毛细血管通透性明显高于正常的毛细血管,可选择性地在病变部位渗漏,实现被动靶向基因传递,但这种靶向治疗的特异性不强。纳米基因载体的比表面积大,并且可在其表面偶联靶细胞的配体或抗体,实现基因治疗的主动靶向性。主动靶向载体大大提高了基因传递的特异性,并加强了靶细胞对目的基因的摄取。,37,表面修饰,38,2.纳米粒作为基因转移载体在基因治疗中的应用,虽随着人类基因组学的研究进展，基因治疗将成为疾病治疗的重要手段。基
31、因治疗有三个重要的环节，一是找到出毛病的基因（即所谓靶基因）；二是获得用于取代靶基因的正常基因（即所谓目标基因）；三是要有适当的方法或手段将正常基因输送到靶部位，实现基因的治疗。无论基因治疗是纠正基因缺陷，还是产生治疗效应的蛋白质的基因，直接或间接杀伤靶器官中的肿瘤细胞，均需要将DNA分子有效地输送至靶细胞中，这种基因的输送通常需要载体来完成。基因治疗的载体分为非病毒载体和病毒载体。,39,病毒载体包括逆转录病毒、腺病毒、腺相关病毒等。逆转录病毒只在分裂增殖细胞中整合入细胞染色体，因此对肝癌细胞有相对靶向性，但其表达效率较低，且有引起插入突变的可能。腺病毒载体则不整合入宿主染色体基因组，相对安
32、全；静脉注射时因肝脏有丰富的腺病毒受体而大量聚集于肝脏组织；转染后产生滴度远高于逆转录病毒载体。但因腺病毒载体对分裂及静息期的细胞均有感染性，同样也达不到肝癌组织靶向性转导的目的。非病毒载体主要包括脂质体、裸DNA及阳离子多聚物型载体。纳米颗粒基因载体是一种无毒、高效、能稳定转染的非病毒载体，将DNA、RNA等基因治疗分子包裹在纳米颗粒之中或吸附在其表面，同时也在颗粒表面耦联特异性的靶向分子，如特异性配体、单克隆抗体等，通过靶向分子与细胞表面特异性受体结合，在细胞摄取作用下进入细胞内，实现安全有效的靶向性基因治疗。,40,通过纳米粒-DNA复合物表面携带的阳离子与细胞膜上带负电荷的糖蛋白及磷脂
33、相互作用引发细胞胞吞作用而进入胞质。细胞表面负电荷的数量与纳米粒-DNA复合物的大小决定基因转运、受体介导的内吞、胞饮和噬菌作用，而DNA从溶酶体有效释放入胞浆是增强转染活性所必须的。,纳米粒载体介导的基因入胞机制,41,纳米转运体在基因治疗中的应用纳米颗粒具有一些显著的优点：稳定、无毒性；能包裹、浓缩、保护基因，使其免遭核酸酶的降解；比表面积大，具有生物亲和性，易于在其表面耦联特异性的靶向分子，实现基因治疗的特异性；在循环系统中的循环时间较普通颗粒明显延长，一定时间内不会象普通颗粒那样迅速地被吞噬细胞清除；允许基因缓慢释放，有效地延长作用时间，并维持有效的产物浓度，提高转染效率和转染产物的生
34、物利用度；代谢产物少，副作用小，无免疫排斥反应等。反义寡核苷酸可特异性阻断基因表达，用于肿瘤和免疫疾病等的反义治疗，但其本身却不稳定，容易被体内细胞中的核酸酶消化。近年来采用纳米粒包囊并介导反义寡核苷酸入胞而发挥治疗作用的研究已相当广泛。如PLGA纳米粒-DNA复合物、聚氰基丙烯酸正丁酯纳米颗粒（PBCA-NP）、多聚赖氨酸-硅纳米粒、氨基化二氧化硅纳米颗粒作为基因载体。,42,原子力显微镜观察 PBCA-NP纳米颗粒呈圆球形，表面平滑完整，分散良好，无粘附团聚现象,43,运载多肽和蛋白类的纳米药物控释系统随着分子生物学及其技术的发展，多肽类药物显示出优于传统药物的治疗效果，但也具有其特有的缺
35、点：口服时易被胃肠道内的蛋白水解酶降解；生物半衰期极短，所以需要重复给药；多数多肽类药物不易通过生物屏障。上述缺点限制了它们的临床应用，而纳米药物控释系统可以较好地克服这些缺点，它能保护药物分子，使多肽类和蛋白质类药物的口服给药有效，并且能促进药物的吸收利用，产生明显的生物学效果。例如用界面聚合法能得到更加稳定、均一的含胰岛素的聚氰基丙烯酸异己酯(PACA)的纳米胶囊，对糖尿病模型大鼠和糖尿病模型狗口服PACA胰岛素1次可维持13周的降血糖效果。,44,DNA纳米技术是指以DNA的理化特性为原理设计的纳米技术，主要应用于分子的组装。利用DNA双链的互补特性，可以实现纳米颗粒的自组装，并提供高度
36、特异性结合。利用纳米技术，可使DNA通过主动靶向作用定位于细胞；将质粒DNA浓缩至50200 nm大小且带上负电荷，有助于其对细胞核的有效入侵；质粒DNA插入目的细胞后，可修复遗传错误或可产生治疗因子(如多肽、蛋白质、抗原等)；而质粒DNA插入细胞核DNA的准确位点则取决于纳米粒子的大小和结构。,3.DNA纳米技术和基因治疗,45,4.纳米技术在克隆技术中的应用克隆技术主要包括供体母细胞和受体细胞的选择（转基因动物的克隆，包括外源基因的选择和重组）、供体细胞核的分离和时期的选择、受体细胞的去核、核卵融合、胚胎的形成和种植、胚胎在母体动物内的发育、克隆动物的生产等。可以利用植入到细胞或细胞核中的
37、蛋白质或DNA纳米机器对核移植的整个过程进行实时监控，为研究动物克隆提供大量可靠的实验数据。这也必将是纳米技术在克隆技术中的应用之一。5.在基因工程中的应用多肽疫苗及其佐剂 多肽疫苗具有安全性好、容易获得、纯度高等优点，但所存在的缺点也不可回避。试图使用佐剂来解决这些问题，但人用佐剂的载体效应难以避免。用纳米材料制作疫苗佐剂，以增强其免疫原性和抗原性，结束目前疫苗佐剂使用的多序状态和特异性不强等局面，推动应用免疫学的发展，从而推动整个生物学的发展。,46,纳米技术在核酸中的应用,1.磁性纳米粒用于核酸抽提的优点随着纳米技术的进步，纳米技术在DNA提取和纯化方面有了新的应用。磁性纳米技术将具有常
38、规DNA提取方法所无法比拟的独特优势：纳米材料具有小尺寸效应和表面效应，能够用于高效DNA提取，满足微量生物样本DNA提取的要求；纳米材料表面能够进行化学修饰，从而与DNA进行特异性吸附，去除样品DNA溶液中的抑制物质，如有机溶剂、去污剂、金属离子、染料等；纳米粒子表面功能团数量可以控制，获得所提取DNA溶液的浓度信息，实现定量的要求；磁性纳米材料可以通过特殊的合成工艺，使其具有超顺磁特性，因此能够通过仪器进行自动化操作，满足数据库建设大批量样本提取的需要，减少人为因素影响；用时少，操作简单，适用于大多数生物检材。价格低廉，便于广泛应用。由于纳米材料合成采用的都是低价无机和有机原料，无须特殊的
39、仪器设备，使得最终的合成和研发成本都很便宜。2.纳米金在核酸扩增中的应用纳米金粒子是一种无毒且生物相容性良好的纳米材料，合成方法简单、粒径可控，表面化学性质活泼，容易修饰或吸附其他物质，而且具有独特的光电性能，因此近年来国内外对纳米金粒子在生物学领域的应用进行了广泛的研究。在核酸扩增中应用纳米金-PCR不但可以提高特异性，而且设计引物时也更加宽松，不必刻意追求接近的退火温度。,47,纳米技术在其他方面的应用,1.细胞分离20世纪80年代初，人们建立了用纳米SiO2微粒实现细胞分离的新技术。优点是：易形成密度梯度；易实现纳米SiO2粒子与细胞的分离。这是因为纳米SiO2微粒是属于无机玻璃的范畴，
40、性能稳定，一般不与胶体溶液和生物溶液反应，既不会沾污生物细胞，也容易把它们分开。采用纳米微粒很容易将血液样品中的极少量的胎儿细胞分离出来，并能准确地判断出胎儿细胞是否有遗传缺陷。利用纳米微粒（如50nm的Fe3O4微粒）进行细胞分离技术很可能在肿瘤患者早期的血液中检查出癌细胞，从而实现癌症的早期诊断和治疗。利用纳米微粒检查血液中的心肌蛋白，以帮助治疗心脏病。,48,2.细胞内部染色细胞内部染色对用光学显微镜和电子显微镜研究细胞内各种组织是十分重要的一项技术。未加染色体的细胞衬度很底，目前有几种染色技术，如荧光抗体法、铁蛋白抗体法和过氧化物酶染色法等，目的是提高用光学显微镜和电子显微镜观察细胞组
41、织的衬度。随着细胞学研究的发展，要求进一步提高观察细胞内组织的分辨率，这就需要寻找新的染色方法。纳米微粒的出现，为建立新的染色技术提供了新的途径。,49,Quantum Dots(QDs)量子点（半导体纳米晶体）量子点是以CdSe为核、CdS或ZnS为壳的核-壳型纳米体。应用范围广多种颜色抗光致漂白性安全荧光时间长,用于追踪神经细胞膜中的氨基乙酸受体的活动性及扩散性NATURE，VOL432，2004,50,可用于非同位素标记的生物分子的超灵敏检测，如在QD表面连接上巯基乙酸（HS-CH2COOH)，从而使量子点既具有水溶性，还能与生物分子（如蛋白质、多肽、核酸等）结合，通过光致发光检测出QD
42、，从而使生物分子识别一些特定的物质。,与蛋白质偶联，形成生物传感器，测定生物体内物质的特性。,51,用疏水的改良聚丙烯酸包被量子点,使之与免疫球蛋白G和链霉亲和素相结合,使其能准确的结合并标记在细胞表面蛋白、细胞支架蛋白和细胞核内的蛋白质上，利用其抗漂白的性能，通常对于定量检测荧光分子及生物活细胞的模拟具有很大的价值。,52,生物芯片技术：量子点色彩的多样性满足了对生物高分子（蛋白质、DNA）所蕴含海量信息进行分析的要求。将聚合物和量子点结合形成聚合物微珠，微珠可以携带不同尺寸（颜色）的量子点，被照射后开始发光，经棱镜折射后传出，形成几种指定密度谱线（条形码），这种条形码在基因芯片和蛋白质芯片
43、技术中有光明的应用前景。,53,用量子点检测肿瘤细胞,总的来说，由于量子点技术有其独特的标记特点，它必将成为今后生物分子检测的尖端技术，为DNA 检测(DNA 芯片)、蛋白质检测(蛋白质芯片)和探索蛋白质蛋白质之间(抗原抗体、配体受体、酶底物)反应原理提供更先进的方法。同时也将极大的推动生物显像技术和生物制药技术的迅猛发展，给疾病的诊断和治疗带来巨大进步。,54,3.磁性纳米粒子的应用将超顺磁多糖纳米粒子与纳米尺寸的SiO2相互作用，提高了颗粒基体的强度，增加了纳米磁性颗粒在分子生物学中的应用研究：DNA自动提纯、蛋白质检测、分离和提纯、生物物料中逆转录病毒检测、内毒素清除和磁性细胞分离等。此
44、外，还可以将磁性纳米粒子表面涂覆高分子材料后与蛋白质结合，作为药物载体注入到人体内，在外加磁场作用下，通过纳米磁性粒子的磁性导向性，使其向病变部位移动，从而达到定向治疗的目的。例如1050 nm的Fe3O4的磁性粒子表面包裹甲基丙烯酸，尺寸约为200 nm，这种亚微米级的粒子携带蛋白、抗体和药物可以用于癌症的诊断和治疗。这种局部治疗效果好，副作用少。4.纳米脂质体仿生物细胞的药物载体脂质体（Liposome)是一种定时定向药物载体，属于靶向给药系统的一种新剂型。纳米脂质体作为药物载体的优点：由磷脂双分子层包封水相囊泡构成，与各种固态微球药物载体相区别，脂质体弹性大，生物相容性好；对所载药物有广
45、泛的适应性，水溶性药物载入内水相，脂溶性药物溶于脂膜内，两亲性药物可插于脂膜上，而且同一个脂质体中可以同时包载亲水和疏水性药物；磷脂本身是细胞膜成分，因此纳米脂质体注入体内无毒，生物利用度高，不引起免疫反应；保护所载药物，防止体液对药物的稀释，及被体内酶的分解破坏。对脂质体表面进行修饰，譬如将对特定细胞具有选择性或亲和性的各种配体组装于脂质体表面，以达到寻靶目的。5.活的电线科学家通过在DNA的表面覆盖金属原子的培植方法，合成了导电的DNA链。但由于DNA完全被金属覆盖，仅起一种支架的作用，不再具备选择性结合其它生物分子这一很有价值的特性。研究者发现了将DNA发展成新一代生物传感器和半导体导线
46、的途径，DNA很容易把锌、镍、钴等离子并入它的双螺旋的中心，并找到了在高pH值等基本条件下，稳定DNA含有金属离子的状态，获得了新的DNA导电体。并且，此类金属DNA仍然保持选择性结合其它分子的能力，如遗传畸变探测生物传感器。类似于其它的DNA探测，在此传感器上装配上所要探测的特制DNA序列，由于DNA链是导电的，杂交DNA所引起的删除或变化，均起阻碍电流的作用，计算机能够简单地通过测量电导的变化，来识别DNA的异常。,55,Bio-nanodevices for the future,56,生化检查,伊利诺依大学迈尔斯特拉诺(Michael Strano)的研究组正研究用碳纳米管验血。原理：
47、给纳米管涂上一层酶，它就能在有糖的环境下制造过氧化氢，然后激发电子流，当激发的电子流与红外线接触会发出光照 这是纳米管的一种独特反应。,碳纳米管有奇异的电学和光学特性,57,跟踪生物体内活动,美国伯克利大学的纳米研究部门的崔先生指出：有的纳米颗粒具有发光功能，科学家们把这种纳米颗粒送进人的组织、器官内，然后从人体外部向内照射近红外线，纳米颗粒在体内会发光，可以跟踪了解人体细胞的变化情况，从而达到追踪病毒等效果。,科学家们发现癌细胞特别喜欢吃纳米颗粒，这有助于跟踪癌细胞在人体内的活动。,58,智能化的纳米药物传输系统,研究者制备的纳米粒子进入前列腺癌细胞中靶向传输化疗药物,把药物放入磁性纳米颗粒
48、的内部，这些颗粒就可以自由地在血管和人体组织内运动加外磁场导向，使其向病变部位聚集。,59,碳纳米管的强度高、重量轻，可以做成太空升降机的缆绳。,天梯碳纳米管绳梯,60,长循环靶向缓释纳米脂质体抗肿瘤药物制剂的产业化多功能金属壳热化疗纳米载药系统靶向治疗恶性肿瘤干细胞靶向纳米纳米夹心二氧化硅颗粒控释药物制剂的研发天然纳米磁小体载药体系及其在靶向治疗恶性肿瘤中的应用磁性空心球纳米药物制剂靶向治疗恶性肿瘤PEG-PLGA嵌段共聚物高靶向纳米制剂纳米药物制剂的生物效应研究纳米生物材料的制备及生物学评价新型纳米防雾光学材料的研发纳米关节软骨及人工韧带的研发肠癌早期诊断及预后评估的纳米生物器件研制心血管病与糖尿病多指标微流控芯片检测系统的研制肺癌早期诊断的纳米分子印记探测器件研究反义ECE RNA干扰纳米归巢气雾装置研发,Thank you!,
