纳米医学概念的早期起源于一个有远见的想法，即可以设计、制造微型纳米机器人和相关机器，并将其引入人体，在分子水平上进行细胞修复。(Freitas Jr and Medicine, 2005) 纳米科学的概念最早是由已故诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼于1959年提出的。

纳米医学是当今的一个热门话题。一项对追求“纳米医学”的公司进行的全球调查表明，纳米技术正在药物和医疗器械行业扎根。(Wagner et al.， 2006) 一方面，它具有巨大的发展潜力和极好的市场前景。另一方面，纳米技术的发展面临诸多挑战，对未知安全问题的监管规则不完善也在一定程度上限制了其飞跃。

本篇主要阐述了纳米医学的应用。

什么是纳米医学

纳米医学是一个集成了纳米技术和医学概念的多学科领域。这些概念与系统生物学和系统医学等研究领域的结合将为形成个性化医疗的途径做出重大贡献。(Riehemann et al.， 2009)

通常，我们将纳米医学定义为在医学中使用纳米尺度或纳米结构的材料，这些材料根据其结构具有独特的医学效果。(Wagner et al.， 2006) 更具体地说，纳米医学包括纳米载体、纳米结构表面、纳米材料和纳米电子学的发展，以改善疾病的诊断、治疗和监测以及组织再生。(Godin et al.， 2012)

纳米技术可以被定义为“通过在纳米尺度范围内(1到100纳米)控制材料、结构、设备和系统的尺寸和形状，有意地设计、表征、生产和应用”。(Kalakotla et al.， 2015)

出于经济原因，新的筛查和诊断工具在医学上的大规模应用必须是快速、方便和廉价的。因此，小型化、并行化、集成化和自动化是必不可少的，这也是纳米材料所具有的独特特性。(Riehemann et al.， 2009)

纳米医学的范围从纳米材料和生物装置的医学应用，到纳米电子生物传感器，甚至是分子纳米技术未来可能的应用，如生物机器。(维基百科,2014) 纳米医学本质上意味着将纳米技术应用于医学。(Riehemann et al.， 2009)

纳米技术在医学中的应用

纳米医学主要包括纳米粒子和纳米结构表面的发展，以及用于分子诊断、治疗、随访和疾病治疗的纳米分析技术(治疗学)。(Riehemann et al.， 2009) 当下的一些研究已经取得了不同程度的成果，如免疫分离、门控纳米筛、超快速DNA测序、纳米壳、单病毒探测器和生物机器人等 (Freitas Jr and Medicine, 2005)。这些正在进行的研究有望在未来取得更大进展，为世界卫生系统做出杰出贡献。

本部分从医学诊断、研究开发、临床应用和纳米结构表面四个方面论述纳米技术在医学中的应用。

医疗诊断

与传统方法相比，基于纳米结构的诊断方法具有更高的灵敏度和选择性。为了诊断目的，可以使用纳米尺度特征的量子约束效应。纳米颗粒可以嵌入其他晶体或非晶纳米级材料中，以保证更好的功能和生物利用度。在这一领域，对金属和半导体量子点结构、纳米团簇以及纳米粉末的开发研究有着相当大的热度。对于医学应用(分子成像)，这些颗粒的某些类型可以在体内用作各种成像技术的标记，例如红外或核磁共振方法，以显着提高分辨率和灵敏度，从而能够早期诊断疾病并导致发展出更便宜的临床治疗应用。(Riehemann et al.， 2009)

1.1 体外诊断

任何诊断程序的最终目标都是在常规筛查过程中无创、早期、准确地检测到生物疾病标志物，从而选择合适的治疗方案。目前已经开发出了各种纳米技术平台，允许通过非侵入性技术同时实时评估广泛的疾病标志物。医学诊断的另一个目标是分析单个细胞。纳米技术方法提供了研究单个分子的机会，并为分析和检测的新方法开辟了可能性。(Riehemann et al.， 2009)

(1) 胶体金

在体外诊断领域使用最广泛的纳米技术产品是用于侧流测定的胶体金，用于妊娠、排卵、艾滋病毒和其他适应症的快速检测。(Wagner et al.， 2006)

(2) 微流体与纳米传感器

目前还没有用于癌症等疾病早期诊断的特异性血清标志物。然而，纳米技术提供了同时评估多种分子标记的可能性。所获得的信息可以帮助早期和有效的诊断，以及监测和选择治疗策略。(Riehemann et al.， 2009)

体外循环(CPB)术后患者可出现全身炎症反应。一般来说，由于缺乏对炎症反应的及时测量，临床干预炎症的能力受到限制。利用等离子体分析装置，制备了一种微流体装置，用于实时监测炎症标志物的发展。(Yang et al.， 2005) 在这里，微流体提供了在炎症过程的早期阶段进行干预的机会，某些炎症早期如果不及时治疗可能会危及生命。

随后，开发出一种具有各向异性纳米流结构的新型微芯片，用于分离和分选DNA或蛋白质等生物分子。(Riehemann et al.， 2009) 该系统具有极小的筛结构，可以对连续的生物流体进行分选，并按大小对蛋白质进行分离，从而为小分子的识别提供了合适的工具，用于早期诊断和医疗随访。(Fu et al.， 2007)

利用适当的纳米传感器对生物分子相互作用进行特异性识别是诊断的一种很有前途的方法。这个概念是基于纳米级的力和变形产生的结果配体与底物结合的原理。(Fritz et al.， 2000)

(3) 荧光标记和成像

荧光染料是一类重要的体内成像工具，主要用于细胞和分子的可视化。这些染料的一大缺点是它们的光不稳定性，荧光产量在不到一分钟的时间内迅速褪色。在这方面，硅量子点的生物相容性、高光致发光量子效率和抗光漂白的稳定性使其成为生物检测中替代荧光染料的理想候选者。(Riehemann et al.， 2009)

(4) 局部探针与高分辨率成像——扫描探针分析

在体外诊断领域使用最广泛的纳米技术产品是用于侧流测定的胶体金，用于妊娠、排卵、艾滋病毒和其他适应症的快速检测。(Wagner et al.， 2006)

1.2 体内诊断

纳米技术的发展为开发具有更高灵敏度、特异性和可靠性的即时诊断提供了动力。体内诊断提供患者即时的数据，并允许跟踪疾病的发展和治疗。使用合适的造影剂对单个细胞成像、治疗药物的递送和治疗进展的监测是未来医疗保健的关键问题。(Riehemann et al.， 2009)

这一研究领域的进展还将依赖于单分子成像和植入式设备。分子成像的目的是创造能够提供和监测治疗的检测试剂。特别是，在早期阶段发现疾病是一个中心目标。(Riehemann et al.， 2009) 纳米技术为生产具有更高灵敏度和识别精度的新型生物传感器和医学成像技术提供了独特的可能性。这一目标可以实现，例如，通过开发新的纳米颗粒来实现更特异和更灵敏的成像。(Riehemann et al.， 2009)此外，生物传感器的小型化为诊断设备的植入提供了机会，这些设备可以向体外的监视器发送连续的信息，例如检测血液中的胆固醇含量。这些设备将极大地改善那些需要长期医疗监测的人的生活条件。(Arya et al.， 2007)

(1) 靶向成像

纳米颗粒的大小引起的光学和电子效应在相同材料的宏观样品中是观察不到的。这一领域的发展包括量子点、金属和半导体纳米团簇以及纳米粉末。(Kinge et al.， 2008) 其中一些颗粒可以在人体内用作核成像技术(例如磁共振成像)的标记物。这些颗粒大大提高了分辨率和灵敏度，同时使疾病的早期诊断成为可能。(Alivisatos et al.， 2005)因此，更便宜的临床措施也可以应用于治疗。功能化纳米颗粒具有矢量特性。它们可以特异性地识别细胞表面指示疾病的互补基团。(Riehemann et al.， 2009)

目标成像技术目前是由物理学家、医学专家、生物化学家、化学家以及工程师密切合作开发的。这种方法也将有利于正电子发射断层扫描(PET)和核磁共振成像(MRI)的发展。(Kopka et al.， 2008)

(2) 纳米造影剂

胶体磁性纳米颗粒代表了另一组用于磁共振器官可视化的试剂。它们结合了小尺寸和强磁性，具有高生物相容性，并且可以通过活性官能团与所需受体结合。当与癌症靶向抗体结合时，纳米晶体在监测植入活体小鼠的人类癌细胞的体内靶向事件方面显示出巨大的优势。(Riehemann et al.， 2009)

纳米技术在治疗中的研究和发展

传统疗法--手术、放射和化学疗法--的基本方法是比健康细胞更快地去除病变细胞，而纳米医学试图使用复杂的方法杀死特定细胞或一次修复一个细胞，比如使用生物传感器来检测药物何时应该释放。(Riehemann et al.， 2009)

2.1 纳米技术在再生医学中的应用

纳米载体易于进入细胞和组织，为医学提供了巨大的潜在优势。(Ferrari, 2005)在临床研究中，再生医学包括通过纳米颗粒和纳米结构表面操纵干细胞，以及组织工程来治疗因疾病和创伤而丧失的器官。这包括烧伤后的皮肤替代，通过脊髓或视网膜再生来逆转瘫痪或失明，梗死后的心脏再生，以及通过神经元修复来最大限度地减少中风功能障碍。纳米材料支持健康组织的重建。(Riehemann et al.， 2009)

2.2 纳米药物制剂

纳米药物制剂旨在改善全身给药(化疗)治疗剂的生物分布和靶部位积累。多年来，人们对许多不同类型的纳米药物进行了评估，包括脂质体、聚合物、胶束和抗体，并获得了大量证据，表明这些亚微米大小的载体材料能够改善治疗干预措施的疗效和毒性之间的平衡。除了用于治疗目的外，纳米药物制剂近年来也越来越多地用于成像应用。此外，随着化学、生物学、药剂学、纳米技术、医学和成像技术的进步，在过去十年中已经开发了几种不同的系统，将疾病诊断和治疗结合起来。这些所谓的(纳米)治疗剂在单一配方中包含药物和显像剂，它们可以用于各种不同的目的。(Lammers et al.， 2011)

临床应用

纳米医学已经进入许多不同的领域，包括组织工程和靶向给药。临床应用相当广泛，但主要集中在癌症方面。(Riehemann et al.， 2009)

众所周知，慢性炎症是癌症、关节硬化和年龄相关疾病等疾病发展的原因，在临床研究中占据中心位置。(Riehemann et al.， 2009) 慢性炎症的经典治疗效率低，副作用严重，给药途径低效。在传统的癌症治疗中也发现了类似的问题。因此，在这一领域已经成功地开发了靶向给药和诊断方法，并将其应用于临床。用于治疗慢性炎症的纳米药物输送系统可以在减少副作用、增强疗效、更好的生物利用度和降低医疗保健成本方面改进现有的药物应用。

对科学引文索引中的文献进行的文献计量分析表明，纳米医学的研究活动在过去几十年里激增。其中，药物传递是主要的研究领域，占科学论文的76%，占专利的59%。(Wagner et al.， 2006)

3.1脂质载体——化疗中的脂质体药物载体

脂质体是临床上最常用的纳米级药物输送系统。与其他纳米颗粒递送系统相比，脂质体具有生物相容性、生物可降解性以及尺寸和表面操作的灵活性。用于癌症治疗的脂质体纳米疗法已经上市十多年，而其他脂质体药物则处于不同的临床开发阶段。(Riehemann et al.， 2009)

引入脂质体是为了增加疏水化疗药物的溶解度，并使药物分子具有高效率，脂质体已被证明在减少全身副作用和毒性以及减弱药物清除率方面是有效的。(Blume and Cevc, 1990) 与非脂质体制剂相比，此类药物具有更高的疗效和更低的毒性。(Riehemann et al.， 2009)

以阿霉素为例。阿霉素是一种抗癌药物，广泛用于治疗不同类型的肿瘤。但其较强的毒性限制了其治疗应用。通过进一步的研究，我们得出结论，阿霉素脂质体的开发最终达到了被批准的纳米给药系统的水平。(forsenet al.， 1979)

3.2 基于聚合物的递送

科学家们提出了一种很有前途的抗癌治疗方法，基于药物-聚合物偶联物的被动靶向，这一事实是，与供应健康组织的血管系统相比，肿瘤附近的新血管系统对某些粒径的颗粒是可渗透的。(Riehemann et al.， 2009)

此外，诱导凋亡的抗癌药物与纳米颗粒的偶联有助于提高疗效。蛋白质和药物与合成聚合物，特别是聚乙二醇的偶联，增加了它们的血浆驻留，降低了蛋白质的免疫原性，并可以增加它们的治疗范围。(Duncan, 2006)

3.3 金属纳米颗粒

(1) 伤口护理用纳米晶银

银，主要以硝酸盐或磺胺嘧啶盐的形式存在，是一种被充分研究的抗菌剂，也是伤口治疗的常用化合物。银是一种很有前途的抗生素替代品，因为对抗生素的多重耐药逐渐发展。(Stickler, 2000)

纳米晶银相对于银盐的优势不仅在于其抗菌活性的增强，还在于其抗炎特性。(Wright et al.， 2002) 纳米晶银在伤口处理中的应用表明纳米生物技术进入了医学治疗领域。这些类型的敷料目前应用于一级和二度烧伤以及几种类型的慢性不愈合伤口。(Riehemann et al.， 2009)

(2) 磁性纳米颗粒用于诊断和治疗

铁或氧化铁纳米颗粒在包括药物递送在内的各种纳米生物医学应用中具有巨大的潜力。(Riehemann et al.， 2009) 目前含铁纳米颗粒的研究和应用主要涉及体外细胞标记和细胞分离、体内给药、磁共振成像 (MRI)和热疗。铁纳米颗粒在医学上最流行的应用是热疗，这是通过局部加热组织来破坏肿瘤。它是一种有效的、特异的抗癌药物。(Huber, 2005)

3.4 纳米壳

纳米壳不仅被研究用于治疗癌症，而且用于诊断目的，例如在光学相干断层扫描(OCT)中获得更高分辨率的图像。OCT的应用范围从眼科到全脑切片重建。(Riehemann et al.， 2009)

3.5 不可注射的纳米载体

将药物引入人体的最佳方式是口服，因此，制药工业投入了大量精力来开发可以通过纳米技术改进的适当的输送系统。设计完美的纳米颗粒也可以为必须穿过血脑屏障的药物提供有效的输送工具。通过纳米技术改进的植入式药物输送系统通常比使用注射药物更受欢迎，因为后者经常显示出副作用。植入式缓释系统可能有助于降低峰值血浆水平，从而降低不良反应的风险和重新给药的频率，从而提高患者的依从性。(Riehemann et al.， 2009)

此外，纳米技术还可以用于去除毒素。胶体分散体已经被证明可以从血液中去除潜在的致命化合物，包括高浓度的亲脂疗法、非法药物以及化学和生物制剂。(Lee et al.， 2005)

纳米涂层和纳米结构表面

表面涂层的纳米结构控制着诸如电荷、电导率、粗糙度、孔隙度、润湿性、摩擦、物理和化学反应性以及与生物体的相容性等特性。表面纳米结构的主要研究重点是优化假体(如人工关节)与生物体的相互作用，目的是生产与身体组织密切联系的材料，同时避免副作用，如慢性炎症或过敏。(Riehemann et al.， 2009) 例如，将表面改变为纳米管结构会使人工关节更好地结合而不会引起慢性炎症。(Popat et al.， 2007)

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供稿 / 医学部 梁诗意