纳米医学诊断

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1、纳米医学诊断 赵志洁李贤琴罗文强邓声游 纳米医学诊断概要 纳米医学诊断的基本概念及研究意义By李贤琴纳米医学诊断的现状与研究进展By赵志洁纳米金及其在医学诊断中的应用By罗文强纳米医学诊断的安全问题和展望By邓声游 李贤琴 纳米医学诊断的基本概念及研究意义 什么是纳米医学 纳米医学是随着纳米生物医药发展起来用纳米技术解决医学问题的学科 合成生物学的发展 开发细胞机器人或细胞生物计算机等技术 将带来一场新的纳米技术革命 它能够实现人类按照自己的意愿来操控单个的原子 纳米技术和材料的发展将将给医学领域带来一场深刻的革命 主要在对付癌症和治疗心血管疾病方面有重要意义 纳米医学诊断的内容 1 遗传病的

2、诊断应用纳米技术生产出微型的传感器 其表面类似血红细胞的蛋白质 注入人体后 可以在血液循环中记录机体的化学变化 机体代谢 血液动力状态 并将信息传送出体外 2 肿瘤的早期诊断目前肿瘤诊断存在着良恶性及细胞来源判断不准确难题 利用原子力显微镜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结构改变 以解决肿瘤诊断的难题 3 纳米生物芯片的诊断由于纳米级尺寸具有的独特性能 可以制造出不同类型及功能用于测量血液和尿液中的胆固醇指标的超分子 植入微晶芯片内 超分子与相应的物质发生反应后 产生电流被芯片接收 4 影像学诊断通过对肿瘤物质的筛选 对多分子信号和生物指标物进行检测 可实现早期

3、检测和早期诊断 纳米医学的影响 1 使诊断更精确应用纳米技术可将微型的诊断仪器植入人体内 可随血液在体内运行 实时将体内信息传送到于体外记录置 2 使治疗更有效将常规治疗药物纳米化 可提高药效 减少用量 降低副作用 这对于恶性肿瘤的治疗 有重要作用 3 成为防病新武器运用纳米技术在血流中进行巡航探测 可及时发现病毒 细菌的入侵 并予以歼灭 从而消除传染病 纳米诊断学的基本概念 纳米诊断学是运用纳米科技的理论与方法 在传统的诊断学基础上 开展医学诊断研究与实践 意味着在空间尺度上对医学诊断学提出了一种全新认识和实践方法 纳米医学诊断技术的发展将使得广大的疑难杂症患者对生命的延续的渴求有了新的期盼

4、 赵志洁 纳米医学材料的研究与进展 金纳米复合粒子细胞造影剂 纳米造影与成像材料 复合纳米粒磁共振造影纳米探针 纳米造影与成像材料 纳米材料用于发射型计算机断层造影 纳米造影与成像材料 图三 纳米材料用放射性核素进行标记 用作成像的造影剂观察到的小鼠体内的癌变组织 纳米探针技术 纳米生物传感器 图四 纳米探针的结构示意图和制作方法 图五 纳米探针测量系统原理图 纳米探针技术 纳米生物传感器 图六用纳米探针检测单细胞中苯并芘含量的照片 纳米细胞检疫器 纳米生物传感器 图七世界上最小的纳米细胞检测仪器 即纳米秤 纳米晶量子点 新型荧光检测技术 图八纳米晶量子点荧光标记与常规标记物的比较 左图画白圈

5、区域为常规标记物注射处 纳米颗粒细胞分离技术 图九一种用超顺磁材料制成的纳米颗粒 表面包裹了交联葡萄聚糖和荧光素 纳米颗粒细胞分离技术 图十 b 融入顺磁纳米标记粒子的细胞的荧光强度和未经纳米颗粒标记的细胞的荧光强度以及稳定性的比较 图九 a 分离出的单细胞的共焦显微照片 纳米颗粒细胞分离技术 图十一磁性微球与骨髓细胞的癌细胞结合的TEM照片 存在的问题 开发费用昂贵指标及应用范围不明确缺乏明确同一的标识分子 纳米材料用于医疗诊断还处于起步阶段 作为常规手段广泛应用于临床受到了限制 忍者vs超级细菌 纳米医学界的冒险游戏 纳米金及其在医学诊断中的应用 罗文强 纳米金的原理简介 纳米金是指金的微

6、小颗粒 直径1 100nm 一般为分散在水中的水溶胶 又称胶体金 受电子能级跃迁和表面等离子体共振的影响 纳米金的颜色随其粒径大小的不同而呈现红色到紫色的变化 利用还原剂 如 白磷 抗坏血酸 硼氢化钠 柠檬酸钠等 可将氯金酸还原 制得纳米金 其中 柠檬酸钠还原法因制备简单而应用较多 受相互间诱导偶极的影响 纳米金的凝聚会引起溶液的颜色变化 且这种变化依赖于纳米金颗粒之间的距离和凝聚体的大小 利用分析物能诱导纳米金凝聚的特性 可将纳米金用于DNA 蛋白质 糖类等生物分子的检测及相关疾病的诊断 为此 人们对表面功能化的纳米金给予了广泛的兴趣并进行了深入的研究 本节将从分析检测和医学诊断的角度对DN

7、A功能化的纳米金 蛋白质功能化的纳米金以及糖功能化的纳米金诊断试剂进行简单介绍 DNA功能化的纳米金诊断试剂 DNA序列的检测在疾病诊断和致病基因的研究等方面具有潜在的应用价值 为此 日益受到人们的重视 以酶标记 放射性同位素标记 荧光标记 化学发光标记及其它探针标记技术为基础 已建立了许多有关DNA序列的检测方法 但是 这些方法往往存在着灵敏度低 重现性差 过程复杂 仪器昂贵 污染环境等缺点或不足 因而在应用方面受到了很大的限制 正因为如此 课题组建立了用烷巯基化寡核苷酸探针标记纳米金并用于检测DNA序列的新方法 该法具有以下优点 1 杂交体系的 熔点曲线 很陡 熔解温度的范围很窄 通过调节

8、温度即可辨别互补 错配 缺失 插入等各种不同情况下的DNA靶片段 选择性很高 2 未优化的体系即可检测出10 14mol L的DNA靶片段 应用金标银染法可将信号放大105倍 使检测的灵敏度大大提高 3 检测过程快速 简便 无需特殊 昂贵的仪器设备 蛋白质功能化的纳米金诊断试剂 自从1971年 Faulk等开创免疫纳米金标记技术以来 该技术在生物学 医学等众多领域得到了应用 这是因为 1 纳米金对蛋白质的吸附能力较强 使得蛋白质的标记过程更加简单 且标记后的蛋白质不易失活 同时纳米金也处于更稳定的状态 有利于长期保存 2 通过制备不同粒径的纳米金 可进行蛋白质的多重标记 3 检测速度快 且纳米

9、金和检测样本的用量都很少 目前 与纳米金成功实现偶联的蛋白质主要有抗体 酶等 糖功能化的纳米金诊断试剂 糖尿病易引起心血管疾病 眼睛失明等多种并发症 长期影响人们的身体健康 其危害程度仅次于癌症 如何有效地监测血糖浓度是治疗糖尿病的关键性问题 遗憾的是 目前尚无一种连续 非介入性监测血糖的方法 鉴于葡聚糖和伴刀豆球蛋白 ConA 之间 ConA和葡萄糖之间的特定作用会引起纳米金吸光特性的变化 KadirA等研究者实现了纳米金与葡聚糖的偶联 见图10 9A 并通过加入ConA使葡聚糖修饰的纳米金发生凝聚 导致650nm吸收峰的吸光度增加 随后加入葡萄糖 凝聚的纳米金发生离解 从而使650nm吸收

10、峰的吸光度降低 见图如下 因此 通过吸收光谱既可检测出体液 如尿液 血液 眼泪等 中的葡萄糖浓度 为相关疾病的诊断和治疗提供重要依据 有报道指出 台湾研究人员提出了一种简单 快速 稳定 无生物毒性 用于诊断疾病的方法 他们将纳米金与糖类物质结合 由于生物体内的识别系统具有特异性 该纳米金 糖类复合体会与特定的细菌进一步结合 运用该法 他们已成功检测出尿道炎的细菌 A 葡聚糖修饰的纳米金的制备方法 B 葡萄糖检测机理 64 关于纳米金材料运用的总结 基于纳米金自身所特有的光学和电化学性质 结合生物技术和现代仪器分析方法 纳米金已用于DNA分析 免疫标记 疾病的早期诊断等诸多研究领域 到目前为至

11、纳米金真正用于临床诊断的实例并不是很多 大多数还仅限于基础研究和试验阶段 但随着人们对生命健康需求的不断提高 可以预见纳米金在生物分子检测及疾病诊断等方面将发挥更加重要的作用 纳米医学诊断的安全问题和展望 邓声游 纳米医学诊断的安全问题 纳米技术在促进医药 工业发展的同时 对人类健康和环境卫生也同样构成潜在的威胁 相同化学组成的纳米材料与其他材料相比具有许多不同的物理 化学和生物特性 其潜在的毒性 次级效应 生物降解能力也存在质疑如何评价纳米医药的安全性和毒性 如何优化纳米技术使这些医药材料适合于人体生物系统 以及如何避免或降低可能出现的毒副作用反应 成为摆在人们面前的一个重要问题 存在的安全

12、问题 对肺部的损伤纳米医学诊断所使用的纳米材料作为药物输送载体时 纳米颗粒可能会在器官内部转移 研究表明纳米颗粒在肺部的吸收 转移 分布 可能一起严重的肺部炎症 上皮细胞增生 肺部纤维化及肺部肿瘤 甚至死亡 病理学观察表明 纳米TiO 可以引起炎症 肺细胞增生等病理改变 存在的安全问题 可破坏脑细胞Thrall等人研究证实 TiO纳米粒子进入小鼠的小神经胶质细胞 即保护脑细胞免受外来有害物刺激的特殊细胞 会引发迅速而持久的防卫反应 虽然小神经胶质细胞制造活性氧分子可作为防卫机理 但长时间释放出活性氧分子会损害脑部 情况就好像某些神经退化性疾病 包括帕金逊症和老年痴呆症 导致神经受损一样 存在的

13、安全问题 影响DNA的复制和转录利用SiO纳米粒子对人体上皮细胞进行的体外研究证实 小于70nm的粒子可进入细胞核 研究亦发现细胞核内积聚蛋白质 并且有迹象显示DNA的复制和转录过程受到影响 有多项研究还证实某些纳米材料具有潜在毒性 存在的安全问题 其他的安全问题由于纳米颗粒是一种人工制造的 大小不超过100纳米的微型颗粒 它可以渗透到膜细胞中 并沿神经细胞突触 血管和淋巴血管传播 由于纳米颗粒是有选择性地积累在不同的细胞和一定的细胞结构中 有可能对人体健康产生威胁 而且由于药物纳米颗粒与药物本身的毒性有着原则区别 一般药物安全评估的方法对纳米颗粒药物不适合 所以在这些技术真正运用到人体上之前

14、 需要经过严格的实验和安全性的评估 纳米医学诊断的展望 虽然纳米在医学领域的应用还存在这一些安全问题的威胁 但不可否认的是 现在纳米材料在生物检测诊断上已发生相当大的发展和应用 各种纳米材料已经在实践中的应用取得了良好的效果 生物医学工程和医疗设备器材两者之间相辅相成 生物医学工程是基础 它的课题研究的深入会催生新的医疗设备器材出现 同时对临床医疗设备器材的需求信息会产生新的研究方向 纳米功能材料在这个方面将大有前途 又如分析与检测技术的进一步优化 势必要求具有更先进性能纳米材料的出现 纳米医学才刚刚问世 其发展的巨大潜力已经展现在我们面前 人们将以全新的角度和视野看待生物医学问题 在纳米水平上可以更加深入地研究各种组织的结构和功能 并充分发挥其优势 纳米医学技术的发展存在挑战的同时也必将为基础与临床研究带来新的机遇 为现阶段尚不能解决的问题带来新的思路和方法 纳米医学诊断的展望 谢谢