胡德良/編譯

納米技術(shù)的兩面性

胡德良/編譯

計(jì)算機(jī)生成的BIND-014藥物模型顯示：自組裝外脂質(zhì)層中封閉著一種化療藥物，只有納米粒子準(zhǔn)確找到腫瘤細(xì)胞時(shí)，這種藥物才會(huì)釋放出來(lái)

● 需要權(quán)衡納米粒子的毒性和納米醫(yī)學(xué)的潛力。

2010年，亞利桑那州藝術(shù)史教授伊夫林·索倫森（EvelynSorensen）成為一名II期宮頸癌患者，當(dāng)時(shí)癌細(xì)胞已經(jīng)擴(kuò)散到淋巴結(jié)。由于她的生命只有一年時(shí)間了，醫(yī)生告訴她說(shuō)：告別家人，去度假吧。就像在報(bào)紙上的報(bào)道中所描述的那樣，索倫森不甘心接受這個(gè)令人沮喪的預(yù)測(cè)，堅(jiān)持要查看臨床試驗(yàn)清單，結(jié)果她了解到馬薩諸塞州坎布里奇的一項(xiàng)試驗(yàn)——一家叫作BIND生物科學(xué)公司的企業(yè)正在利用超小型納米技術(shù)移動(dòng)顆粒來(lái)攻擊腫瘤。索倫森參加了一項(xiàng)試驗(yàn)，這項(xiàng)試驗(yàn)是由亞利桑那州鳳凰城轉(zhuǎn)化基因組學(xué)研究院丹尼爾·凡·霍夫（DanielVonHoff）主持的。經(jīng)過(guò)首次治療，索倫森的腫瘤縮小了70%。幾年之后，盡管索倫森仍在服藥，但是醫(yī)生確認(rèn)她的身體中沒(méi)有顯示出癌癥的跡象。

索倫森利用的臨床治療方法被稱(chēng)為BIND-014，這是一種帶有化學(xué)涂層的納米粒子，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，利用這種納米粒子來(lái)尋找惡性細(xì)胞，并輸送強(qiáng)效化療藥劑——多西他賽（docetaxel）。這種粒子允許藥物選擇性地聚集在患癌部位，使療效大幅提高。BIND-014療法是由哈佛醫(yī)學(xué)院的奧米德·法羅哈扎德（OmidFarokhzad）以及麻省理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)的，目前處于各種癌癥治療的II期試驗(yàn)階段。據(jù)報(bào)道，在對(duì)付非小細(xì)胞肺癌方面，該療法顯示出值得肯定的結(jié)果。然而，其他試驗(yàn)的結(jié)果非?；祀s，使BIND公司一度陷入短暫的財(cái)務(wù)危機(jī)中，這充分說(shuō)明了該行業(yè)具有不成熟性和潛在的波動(dòng)性。

納米材料取得重大突破的領(lǐng)域不僅僅局限于醫(yī)藥行業(yè)。在過(guò)去的20年中，對(duì)于大小范圍在1納米到幾納米的材料，在設(shè)計(jì)和制造方面進(jìn)行了廣泛的研究，這項(xiàng)全球性的研究工作通常被稱(chēng)為納米科學(xué)或納米技術(shù)，含有納米材料的產(chǎn)品數(shù)量正在快速增長(zhǎng)。伍德羅-威爾遜國(guó)際學(xué)者中心出版了納米技術(shù)消費(fèi)品庫(kù)存在線數(shù)據(jù)庫(kù)，其中列出了1600多種基于納米技術(shù)的市場(chǎng)消費(fèi)品。

科學(xué)家和投資者正在轉(zhuǎn)向更加廣泛、面向應(yīng)用的領(lǐng)域，如醫(yī)療衛(wèi)生和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在2013年的報(bào)告中，技術(shù)市場(chǎng)研究企業(yè)勒克斯研究公司（Lux Research）的結(jié)論是，政府對(duì)納米技術(shù)的支持在2009年達(dá)到頂峰，支持金額為83億美元，此后支持力度處于持續(xù)下降的態(tài)勢(shì)。有幾個(gè)國(guó)家停止了專(zhuān)門(mén)的納米技術(shù)計(jì)劃，將該計(jì)劃并入其他科技計(jì)劃中。但是，勒克斯公司還預(yù)測(cè)：盡管支持納米技術(shù)的資金有所減少，納米材料和中等尺度產(chǎn)品（如涂料、記憶芯片和催化劑）的經(jīng)營(yíng)在總體上正在產(chǎn)生凈利潤(rùn)。該報(bào)告指出：納米材料市場(chǎng)將繼續(xù)增長(zhǎng)，到2018年會(huì)達(dá)到3.2萬(wàn)億美元。盡管毒理學(xué)家擔(dān)心廣泛接觸納米材料或直徑小于100納米的顆粒會(huì)給環(huán)境和健康帶來(lái)潛在的有害影響，但是最近納米醫(yī)藥行業(yè)的商業(yè)化成功案例正在激起生物技術(shù)公司、投資者和制藥企業(yè)的強(qiáng)烈興趣。對(duì)于這個(gè)處于掙扎之中而又充滿希望的領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，納米醫(yī)學(xué)看起來(lái)像一個(gè)大救星了。

定義納米技術(shù)

納米技術(shù)是一種轉(zhuǎn)化型科學(xué)，其目標(biāo)是創(chuàng)建每個(gè)原子都位于適當(dāng)位置的裝置和結(jié)構(gòu)。納米科學(xué)超越了傳統(tǒng)科學(xué)學(xué)科的界限，其研究是在化學(xué)、物理、材料科學(xué)以及民用、電氣、生物醫(yī)學(xué)和機(jī)械工程等多學(xué)科融合的規(guī)模上進(jìn)行的。我們看到納米科學(xué)的影響幾乎波及所有領(lǐng)域，包括：醫(yī)藥、汽車(chē)、能源、農(nóng)業(yè)、消費(fèi)品等行業(yè)，甚至也波及了娛樂(lè)業(yè)。

納米技術(shù)涉及的領(lǐng)域很廣泛，用一個(gè)簡(jiǎn)單的定義無(wú)法說(shuō)明。通常，納米技術(shù)描述為：在原子和分子的尺度上控制物質(zhì)材料的相關(guān)科學(xué)。納米（nano）來(lái)自希臘語(yǔ)單詞nanos或nánnos，意思是“矮小的、小型的”。作為長(zhǎng)度單位的納米是這樣換算的：1納米等于10億分之一米，太過(guò)短小難以理解和把握?？茖W(xué)家和工程師會(huì)利用常見(jiàn)的事物來(lái)描述納米，例如，國(guó)家納米技計(jì)劃中指出：“1納米是人類(lèi)頭發(fā)直徑的約10萬(wàn)分之一，或者說(shuō)是紅細(xì)胞的千分之一，或者說(shuō)大約是DNA直徑的一半?！庇袝r(shí)，研究人員會(huì)簡(jiǎn)單地、毫無(wú)幫助地把納米描述為：“納米真的非常非常小。”已故的化學(xué)家哈里·克羅托爵士（SirHarryKroto）曾經(jīng)打了個(gè)比方，如果納米像人的頭顱那么大，那么人的頭顱就會(huì)像整個(gè)地球那么大。即使這樣，仍然很難直觀地去理解和想象納米。

物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（RichardFeynman）是最早設(shè)想納米技術(shù)的人之一，他在1959年的演講《底部擁有充足的空間》中描述了納米技術(shù)的哲學(xué)基礎(chǔ)?！凹{米技術(shù)”這個(gè)詞最初是由谷口紀(jì)男提出的，他在1974年描述了一種新技術(shù)，利用這一技術(shù)可以在小于微米的尺度上對(duì)材料進(jìn)行控制和設(shè)計(jì)?？茖W(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)報(bào)道過(guò)天然存在的納米粒子和工程化的納米粒子。自然產(chǎn)生的納米粒子包括：海洋噴霧、森林火災(zāi)排放、沙塵暴、火山灰和生物顆粒（如通常大小為5納米的蛋白質(zhì)）。長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直在接觸由燃燒引起的天然納米粒子，從很大程度上來(lái)說(shuō)，人的身體對(duì)此能夠很好地適應(yīng)，能夠保護(hù)自身不受這些潛在有害外來(lái)物的侵害。

偶然的情況下，人們也可能暴露于人造納米粒子之中。人造納米粒子分為兩類(lèi)：第一類(lèi)沒(méi)有預(yù)定的大小，可能會(huì)表現(xiàn)出不確定的化學(xué)性質(zhì)，如：燃燒釋放的顆粒、柴油機(jī)排放的尾氣、焊接釋放的煙霧和粉煤灰；第二類(lèi)是那些被稱(chēng)為人工納米粒子的顆粒，它們的大小從1納米到100納米不等，是有著可控表面、特定大小和明確形狀的純材料。人工納米材料在尺度上相當(dāng)于最小的天然納米顆粒，主要是由碳、金屬、金屬氧化物和生物構(gòu)體（如：為基因或藥物輸送設(shè)計(jì)的脂質(zhì)體和病毒）組成。

系列應(yīng)用

通過(guò)新的各種納米制備技術(shù)，現(xiàn)在科學(xué)家和工程師可以準(zhǔn)確創(chuàng)造出幾乎所有的納米材料，這種材料可以用來(lái)有效轉(zhuǎn)換能量，可以輸送醫(yī)用納米膠囊或藥物，可以對(duì)作物精確施用除草劑和殺蟲(chóng)劑，可以提高藥物的溶解度和生物利用度。精確構(gòu)建的納米結(jié)構(gòu)在應(yīng)用方面還包括計(jì)算機(jī)和射頻標(biāo)簽中的納米芯片元件，這些元件用于自動(dòng)識(shí)別、跟蹤食品和動(dòng)物。IBM、惠普等公司的研究人員正在將納米級(jí)邏輯電路安裝在單個(gè)碳納米管和納米線、納米晶體管和納米開(kāi)關(guān)之間，這樣的電路比當(dāng)前的硅晶體管占用的空間更少、速度更快、溫度更低。

納米技術(shù)傳感器可以用在個(gè)人健康監(jiān)測(cè)器和能夠檢測(cè)污染物、毒素和病原體的環(huán)境探測(cè)器上。根據(jù)行業(yè)分析企業(yè)NanoMarket公司的預(yù)測(cè)：在許多應(yīng)用領(lǐng)域，納米傳感器的應(yīng)用還會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。該公司預(yù)計(jì)，增長(zhǎng)的關(guān)鍵動(dòng)力是提高靈敏度和能夠同時(shí)檢測(cè)多種化合物。NanoMarket公司還預(yù)測(cè)，納米技術(shù)工具會(huì)不斷發(fā)展。深刻認(rèn)識(shí)納米尺度的現(xiàn)象對(duì)于提高現(xiàn)有納米傳感器的性能至關(guān)重要，這不僅會(huì)影響到傳感器市場(chǎng)，還可以支持研究人員以創(chuàng)新機(jī)制為基礎(chǔ)對(duì)納米傳感器進(jìn)行開(kāi)發(fā)。預(yù)計(jì)納米技術(shù)的轉(zhuǎn)型機(jī)會(huì)將會(huì)出現(xiàn)于新型傳感的應(yīng)用，其中的生化傳感器將會(huì)利用不同尋常的納米尺度現(xiàn)象來(lái)判斷疾病標(biāo)記。

納米與化學(xué)結(jié)構(gòu)

創(chuàng)造像計(jì)算機(jī)芯片這樣的小型器件時(shí)，這些器件可以從硅基板上蝕刻出來(lái)。相比之下，納米結(jié)構(gòu)材料是這樣制造出來(lái)的：通過(guò)將一種物質(zhì)添加到另一種物質(zhì)上，使物質(zhì)的各種性質(zhì)發(fā)生改變或改善。因此，盡管硅的微加工是在0.2微米的尺度范圍內(nèi)進(jìn)行的，但是納米技術(shù)的基本尺度約為一個(gè)原子的直徑：0.0008微米。

眾所周知，為特定功能而設(shè)計(jì)的分子一直是現(xiàn)代化學(xué)中的一部分。但納米技術(shù)與化學(xué)不同，它不僅僅局限于溶液中分子和離子之間的吸引和結(jié)合。一旦“自下而上”的具體過(guò)程（創(chuàng)建原子級(jí)的精確結(jié)構(gòu)）制定出來(lái)，那么新型納米機(jī)械和納米制備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)跟機(jī)械工程就非常相似。該方法既可以應(yīng)用于單個(gè)小型部件，也可以應(yīng)用于大型系統(tǒng)。

在常規(guī)的化學(xué)反應(yīng)中，鍵使原子結(jié)合，反應(yīng)物保持在促進(jìn)最低自由能的精確方向，每一種反應(yīng)物都具有不連續(xù)的能量。在化學(xué)反應(yīng)中發(fā)生的原子的重新排列總是伴隨著熱的釋放或吸收。斷裂鍵吸收能量，形成鍵則釋放能量。在納米技術(shù)中，通過(guò)“分子機(jī)器”進(jìn)行相同的反應(yīng)。在分子機(jī)器中，反應(yīng)物通過(guò)輸送帶上的夾具保持精確方向，在適當(dāng)角度和力量下結(jié)合在一起。輸送帶隨著反應(yīng)的發(fā)生而移動(dòng)，這樣可以每秒催化超過(guò)100萬(wàn)次的反應(yīng)。

然而，納米技術(shù)的快速發(fā)展、納米產(chǎn)品和工藝的不斷改進(jìn)，既提供了巨大的機(jī)遇，也帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。對(duì)于游離、不可控的納米粒子仍存在一些懸而未決的問(wèn)題。研究人員正在尋找方法來(lái)區(qū)分人為、偶然和天然的納米粒子源。其他的挑戰(zhàn)與許多現(xiàn)有納米技術(shù)的不可持續(xù)有關(guān)，因?yàn)檫@些納米技術(shù)需要使用大量的能源、水和溶劑。此外，一些現(xiàn)有的納米制造工藝使用不可再生材料，而且尚不清楚對(duì)人體健康會(huì)造成怎樣的影響。研究人員正在研究安全、可持續(xù)的替代品，但是對(duì)于某些納米材料的安全性問(wèn)題，他們還沒(méi)有找到解決方案。

潛在的代表性技術(shù)

隨著納米醫(yī)療行業(yè)的持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)納米技術(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì)將會(huì)產(chǎn)生重大的影響，尤其是在醫(yī)療領(lǐng)域。

納米醫(yī)學(xué)常常利用各種納米顆粒，特別是在癌癥診斷和治療方面。在臨床試驗(yàn)中，大多數(shù)抗癌藥物由于其毒性和缺乏選擇性而受到阻礙，因?yàn)檫@些藥物會(huì)殺死正常細(xì)胞和癌細(xì)胞?？茖W(xué)家正在努力尋找可以選擇靶向攻擊癌細(xì)胞和癌組織的抗癌藥物，這些藥物可以使健康組織絲毫無(wú)損。

通過(guò)提高靶向藥物的輸送效率，納米醫(yī)學(xué)提供了改進(jìn)抗癌藥物輸送的替代方法。抗癌化合物依附于納米粒子（如量子點(diǎn)和碳納米管）上，可以高效穿過(guò)細(xì)胞和組織，從而被細(xì)胞吸收。當(dāng)納米顆粒屬于相對(duì)較大的尺度時(shí)（在10至100納米的尺度范圍內(nèi)），它們不能穿過(guò)密排的細(xì)胞內(nèi)層而進(jìn)入相鄰組織。然而，當(dāng)藥物分子依附于顆粒上時(shí)，它們?cè)谘褐斜３址€(wěn)定性和完整性，直到達(dá)到目標(biāo)腫瘤。這些納米顆粒藥物軛合物能夠指向癌細(xì)胞是因?yàn)槠浯笮　⑿螤詈捅砻嫣卣?。最終，納米顆粒藥物的選擇性使藥物對(duì)癌細(xì)胞的作用達(dá)到最大化，使健康細(xì)胞完好無(wú)損，對(duì)患者產(chǎn)生的副作用較少。

BIND-014（救助了伊夫林·索倫森的藥物）是靶向藥物輸送方面最有前途的納米粒子之一。BIND-014已經(jīng)通過(guò)了I期臨床試驗(yàn)的安全性測(cè)試，現(xiàn)在正在接受II期試驗(yàn)，以測(cè)試其在治療肺癌和前列腺癌方面的療效。BIND-014是通過(guò)聚合物串組裝起來(lái)的，這種聚合物串能夠自發(fā)折疊形成顆粒。聚合物和靶向分子或靶向離子交叉在一起，這些分子和離子跟另一種分子結(jié)合，并通過(guò)設(shè)計(jì)與靶向癌細(xì)胞的粒子結(jié)合。這種自組裝過(guò)程使批量復(fù)制分子更加容易，并且可能最終把這一技術(shù)轉(zhuǎn)化到臨床應(yīng)用上來(lái)提供獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

另一個(gè)有希望的抗癌藥物是 CALAA-01，它是輸送顆粒RONDEL和小干擾RNA（siRNA）分子的組合，通過(guò)影響癌細(xì)胞 RNA的功能來(lái)抑制腫瘤生長(zhǎng)。CALAA-01中的siRNA在穩(wěn)定的納米顆粒內(nèi)不會(huì)降解。目前，該藥已進(jìn)入 Ib期臨床試驗(yàn)階段。

納米毒理學(xué)

要確定納米尺度顆粒的所有物理、化學(xué)或生物學(xué)的獨(dú)特特征具有挑戰(zhàn)性。這種困難會(huì)增加人們的擔(dān)憂：這些新材料可能是產(chǎn)生毒性的潛在原因。納米結(jié)構(gòu)具有與其物理尺度相關(guān)的電子特點(diǎn)、光學(xué)特點(diǎn)和磁性特點(diǎn)，當(dāng)這些納米結(jié)構(gòu)分解時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生難以預(yù)測(cè)的毒性反應(yīng)。納米結(jié)構(gòu)表面可以參與催化反應(yīng)和氧化反應(yīng)，由于較高的面積/體積比值，它們的毒性會(huì)比類(lèi)似而尺度較大的材料更大。此外，一些納米結(jié)構(gòu)材料含有有毒金屬或有毒化合物，當(dāng)母體材料分解時(shí)，毒素就會(huì)釋放出來(lái)。

盡管納米醫(yī)學(xué)的進(jìn)步允許研究人員實(shí)施定制的藥物輸送，但其他方面的發(fā)展正在產(chǎn)生某些健康和環(huán)境方面的問(wèn)題。

人們關(guān)注較多的一類(lèi)工程納米顆粒是碳納米管。碳納米管技術(shù)已經(jīng)獲得了5000多項(xiàng)專(zhuān)利，此外還有5萬(wàn)多種相關(guān)專(zhuān)利。最常見(jiàn)的類(lèi)型包括：具有幾個(gè)同心壁的多壁碳納米管、一層構(gòu)成的單壁碳納米管。碳納米管非常適用于電子、結(jié)構(gòu)工程和醫(yī)藥領(lǐng)域，因?yàn)樗鼈兙哂歇?dú)特的導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度和易于衍生化（針對(duì)藥物輸送的定制應(yīng)用）。在化學(xué)術(shù)語(yǔ)中，衍生化是指將化合物轉(zhuǎn)變成具有相似化學(xué)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物的技術(shù)，轉(zhuǎn)變后的材料稱(chēng)為衍生物。

然而，監(jiān)管機(jī)構(gòu)、醫(yī)護(hù)人員、環(huán)保人士、健康倡導(dǎo)者和一些其他的普通大眾越來(lái)越關(guān)心接觸碳納米管所帶來(lái)的問(wèn)題。許多研究發(fā)現(xiàn)：將碳納米管注入小鼠、大鼠和豚鼠的肺部可能會(huì)導(dǎo)致肉芽腫、炎癥和纖維化。當(dāng)皮膚吸入、攝取或接觸到多壁碳納米管之后，多壁碳納米管毒性就會(huì)增加。碳納米管的長(zhǎng)寬之比跟石棉類(lèi)似，而石棉的纖維晶體會(huì)引起肺癌、間皮瘤和石棉沉滯癥；因此，碳納米管非常麻煩。其中許多研究并沒(méi)有產(chǎn)生支持流行病學(xué)的數(shù)據(jù)，表明這些研究還存在很大差距。

納米醫(yī)學(xué)的進(jìn)步使科學(xué)家能夠明確藥物輸送的化學(xué)機(jī)制，確定各種納米顆粒的成分，但是該領(lǐng)域其他的發(fā)展正在引起對(duì)健康和環(huán)境的關(guān)注。第8屆國(guó)際納米毒理學(xué)大會(huì)（Nanotox2016）于 2016年在波士頓舉辦，大會(huì)的主題為“納米毒理學(xué)的10年發(fā)展：對(duì)人類(lèi)健康和環(huán)境的影響”。會(huì)議日程上有幾十項(xiàng)報(bào)告，此次會(huì)議聚集了世界上最多的納米毒理學(xué)家。專(zhuān)家小組審查了過(guò)去10年的納米毒理學(xué)研究，他們贊成兩項(xiàng)重大成就。第一項(xiàng)成就為：在傳統(tǒng)的核心學(xué)科以外，納米毒理學(xué)作為真正的跨學(xué)科領(lǐng)域所發(fā)生的變化。第二項(xiàng)成就為：大會(huì)將這種變化歸功于：對(duì)過(guò)去新技術(shù)商業(yè)化過(guò)程中所犯錯(cuò)誤的清醒認(rèn)識(shí)、科學(xué)共同體對(duì)納米技術(shù)安全發(fā)展的承諾。

大會(huì)也承認(rèn)，納米科學(xué)的某些方面可以從不同的方式進(jìn)行研究。例如，納米毒理學(xué)研究中所使用的劑量大小的測(cè)量具有挑戰(zhàn)性。有時(shí)，研究中使用的劑量如此之大，跟現(xiàn)實(shí)世界中的情況沒(méi)有關(guān)聯(lián)，從而導(dǎo)致有疑問(wèn)的發(fā)現(xiàn)。在尋求評(píng)估納米毒性的標(biāo)準(zhǔn)方法方面仍然存在其他懸而未決的問(wèn)題。為此，大會(huì)設(shè)立了可持續(xù)納米技術(shù)組織，以確定納米技術(shù)的經(jīng)濟(jì)、倫理和社會(huì)效益?？傮w而言，該領(lǐng)域的研究人員認(rèn)識(shí)到：需要開(kāi)發(fā)特征參數(shù)、計(jì)量工具、新型儀器和協(xié)議，協(xié)議中要能夠提供工程納米材料跟生物、環(huán)境系統(tǒng)之間相互作用的信息。

在這種具有前瞻性的氛圍中，人們的擔(dān)憂和新型生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用之間的相關(guān)爭(zhēng)論仍會(huì)繼續(xù)。但是，有一點(diǎn)是明確的：納米技術(shù)的兩面性會(huì)依然存在，利益和風(fēng)險(xiǎn)仍會(huì)并存。

[資料來(lái)源：AmercianScientist][責(zé)任編輯：岳 峰]

本文作者奧默伍米·沙迪克（OmowunmiSadik）是紐約州立大學(xué)賓厄姆頓分校生物分析與環(huán)境化學(xué)教授，她從澳大利亞伍倫貢大學(xué)獲得博士學(xué)位，也是科學(xué)研究榮譽(yù)協(xié)會(huì)SigmaXi著名的授課專(zhuān)家。