大多數(shù)人都有生病、吃藥、打針的經(jīng)歷，醫(yī)學(xué)就是研究疾病，治病救人的科學(xué)。那么納米醫(yī)學(xué)又是什么呢？我們知道人體是由多種器官組成的，如：大腦、心臟，肝，脾，胃，腸，肺，骨骼，肌肉和皮膚；器官又是由各種細(xì)胞組成的，細(xì)胞是器官的組織單元，細(xì)胞的組合作用才顯示出器官的功能。那么細(xì)胞又是由什么組成的呢？按現(xiàn)在的認(rèn)識，細(xì)胞的主要成份是各種各樣的蛋白質(zhì)、核酸、脂類和其它生物分子，可以統(tǒng)稱生物分子，它的種類在數(shù)十萬種。生物分子是構(gòu)成人體的基本成分，它們各自具有獨特的生物活性的，正是它們不同的生物活性決定了它們在人體內(nèi)的分工和作用。由于人體是由分子構(gòu)成的，所有的疾病包括衰老本身也可歸因于人體內(nèi)分子的變化。當(dāng)人體的分子機器，如合成蛋白質(zhì)的核糖體，DNA復(fù)制所需的酶等，出現(xiàn)故障或工作失常時，就會導(dǎo)致細(xì)胞死亡或異常。從分子的微觀角度來看，目前的醫(yī)療技術(shù)尚無法達(dá)到分子修復(fù)的水平。而納米醫(yī)學(xué)則是在分子水平上，利用分子工具和人體的分子知識，所從事的診斷、醫(yī)療、預(yù)防疾病、防止外傷、止痛、保健和改善健康狀況等科學(xué)技術(shù)，廣義地講都屬于納米醫(yī)學(xué)的范疇。換句話講，人們將從分子水平上認(rèn)識自己，創(chuàng)造并利用納米裝置和納米結(jié)構(gòu)來防病治病，改善人類的整個生命系統(tǒng)。首先需要認(rèn)識生命的分子基礎(chǔ)，然后從科學(xué)認(rèn)識發(fā)展到工程技術(shù)，設(shè)計制造大量的具有令人難以置信的奇特功效的納米裝置，這些微小的納米裝置的幾何尺度僅有頭發(fā)絲的千分之一左右，是由一個個分子裝配起來的，能夠發(fā)揮類似于組織和器官的功能，并且更準(zhǔn)確和更有效地發(fā)揮作用。他們可以在人體的各處暢游，甚至出入細(xì)胞，在人體的微觀世界里完成特殊使命。例如：修復(fù)畸變的基因、扼殺剛剛萌芽的癌細(xì)胞、捕捉侵入人體的細(xì)菌和病毒，并在它們致病前就消滅它們；探測機體內(nèi)化學(xué)或生物化學(xué)成分的變化，適時地釋放藥物和人體所需的微量物質(zhì)，及時改善人的健康狀況。最終實現(xiàn)納米醫(yī)學(xué)，使人類擁有持續(xù)的健康。未來的納米醫(yī)學(xué)將是強大的，它又會是令人驚訝得小，因為在其中所發(fā)揮作用的藥物和醫(yī)療裝置都是肉眼所無法看到的。但是它的功能會令世人驚嘆。
需要說明，不要馬上跑到大夫那兒去要納米處方。上面所談的納米醫(yī)學(xué)景觀尚處于設(shè)計和萌芽階段，還有很多的未知需要去探索，例如：這些納米裝置該由什么制成？他們是否可以被人體接受？并發(fā)揮所預(yù)期的作用？科學(xué)家們正在全力以赴地把納米醫(yī)學(xué)的科學(xué)想法變成醫(yī)學(xué)現(xiàn)實。終有一天，醫(yī)藥柜越小，效力越大。
一定有人會問：納米醫(yī)學(xué)是不是科學(xué)幻想？它離我們到底有多遠(yuǎn)？還要等多久才能看到醫(yī)學(xué)實現(xiàn)？事實上，它已經(jīng)開始步入現(xiàn)實，并獲得蓬勃發(fā)展。
(1) 智能藥物
這是納米醫(yī)學(xué)中的一個非常活躍的領(lǐng)域，適時準(zhǔn)確地釋放藥物是它的基本功能之一。科學(xué)家正在為糖尿病人研制超小型的，模仿健康人體內(nèi)的葡萄糖檢測系統(tǒng)。它能夠被植入皮下，監(jiān)測血糖水平，在必要的時候釋放出胰島素，使病人體內(nèi)的血糖和胰島素含量總是處于正常狀態(tài)。最近，美國麻省理工學(xué)院的研究者做出了微型藥房的雛形：一種具有上千個小藥庫的微型芯片，每一個小藥庫里可以容納25納升的任何藥物，例如止痛劑或抗生素等。它的研究者之一Robert Langer說，目前這個芯片的尺寸還相當(dāng)于一個小硬幣，可以把它做得更小，裝上一個"智能化"的傳感器，使它可以適時和適量地釋放藥物。能否在形成致命的腫瘤之前，早期殺滅癌細(xì)胞？美國密西根大學(xué)的James R. Baker Jr.博士正在設(shè)計一種納米"智能炸彈"，它可以識別出癌細(xì)胞的化學(xué)特征(chemical "signatures")。這種"智能炸彈"很小，僅有20納米左右，能夠進入并摧毀單個的癌細(xì)胞。此裝置的研制剛剛開始，而初步的人體實驗至少要五年以后才能進行。
(2) 人工紅血球
納米醫(yī)學(xué)不僅具有消除體內(nèi)壞因素的功能，而且還有增強人體功能的能力。我們知道，腦細(xì)胞缺氧6至10分鐘即出現(xiàn)壞死，內(nèi)臟器官缺氧后也會呈現(xiàn)衰竭。設(shè)想一種裝備超小型納米泵的人造紅血球，攜氧量是天然紅血球的200倍以上。當(dāng)人的心臟因意外，突然停止跳動的時候，醫(yī)生可以馬上將大量的人造紅血球注入人體，隨即提供生命賴以生存的氧，以維持整個機體的正常生理活動。美國的納米技術(shù)專家Robert Freitas初步提出的人造紅血球(respirocyte)的設(shè)計,已成為納米技術(shù)的標(biāo)志性結(jié)果。這個血球是個一微米大小的金剛石的氧氣容器，內(nèi)部有1000個大氣壓，泵浦動力來自血清葡萄糖。它輸送氧的能力是同等體積天然紅細(xì)胞的236倍，并維持生物炭活性。 它可以應(yīng)用于貧血癥的局部治療、人工呼吸、肺功能喪失和體育運動需要的額外耗氧等。它的基本設(shè)計和結(jié)構(gòu)功能，以及與生物體的相容性等已有專著詳細(xì)論述。在此僅對其結(jié)構(gòu)功能做簡單介紹。
它的腔體外殼是與生物體相容的金剛石，腔內(nèi)儲氧，開口處是一個可以從腔內(nèi)向外傳遞氧的轉(zhuǎn)子，隨其旋轉(zhuǎn)，將氧分子輸入血液。
(3)納米藥物輸運
納米微粒藥物輸送技術(shù)也是重要發(fā)展方向之一。按目前的認(rèn)識，有半數(shù)以上的新藥存在溶解和吸收的問題。由于藥物顆粒縮小時，藥物與胃腸道液體的有效接觸面積將增加，所以藥物的溶解速率隨藥物顆粒尺度的縮小而提高。藥物的吸收又受其溶解率的限制，因此，縮小藥物的顆粒尺度成為提高藥物利用率的可行方法。 納米晶體技術(shù)可將藥物顆粒轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米粒子，同時提高溶解性，以提高難溶性藥物的藥效率。粉碎過程會使粒子間的相互作用力增加，為了避免納米顆粒在粉碎過程中聚合，加工中，不溶的藥物是被懸浮在含一般認(rèn)為安全的穩(wěn)定劑和賦形劑的懸浮液中。深入研究的制粉技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)⑺幬锟s小到400納米以下。 同時，這些賦形劑在胃腸道中起表面活性劑的作用，也提高了納米藥物顆粒的溶解率。一旦，不溶性藥物轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米顆粒，就適合于口服或者注射了。
納米醫(yī)學(xué)將給醫(yī)學(xué)界，諸如癌癥、糖尿病和老年性癡呆等疾病的治療帶來變革，已經(jīng)獲得越來越多的認(rèn)同。利用納米技術(shù)能夠把新型基因材料輸送到已經(jīng)存在的DNA里，而不會引起任何免疫反應(yīng)。樹形聚合物(dendrimers) 就是提供此類輸送的良好候選材料。因為，它是非生物材料，不會誘發(fā)病人的免疫反應(yīng)，沒有形成排異反應(yīng)的危險；所以，可以作為藥物的納米載體，攜帶藥物分子進入人體的血液循環(huán)，使藥物在無免疫排斥的條件下，發(fā)揮治病的效果。這種技術(shù)用于糖尿病和癌癥治療是很有希望的。
(4) 捕獲病毒的納米陷阱
密西根大學(xué)的Donald Tomalia等已經(jīng)用樹形聚合物發(fā)展了能夠捕獲病毒的納米陷阱。體外實驗表明納米陷阱能夠在流感病毒感染細(xì)胞之前就捕獲它們，同樣的方法期望用于捕獲類似愛滋病病毒等更復(fù)雜的病毒。此納米陷阱使用的是超小分子，此分子能夠在病毒進入細(xì)胞致病前即與病毒結(jié)合，使病毒喪失致病的能力。
通俗地講，人體細(xì)胞表面裝備著含硅鋁酸成分的"鎖"，只準(zhǔn)許持"鑰匙"者進入。不幸的是，病毒竟然有硅鋁酸受體"鑰匙"。Tomalia的方法是把能夠與病毒結(jié)合的硅鋁酸位點覆蓋在陷阱細(xì)胞(glycodendrimers)表面。當(dāng)病毒結(jié)合到陷阱細(xì)胞表面，就無法再感染人體細(xì)胞了。陷阱細(xì)胞由外殼、內(nèi)腔和核三部分組成。內(nèi)腔可充填藥物分子；將來有可能裝上化療藥物，直接送到腫瘤上。陷阱細(xì)胞能夠繁殖，生成不同的后代，個子較大的后代可能攜帶更多的藥物。盡管原因尚不明確，所觀察的特點是越大效果越好。研究者希望發(fā)展針對各種致病病毒的特殊陷阱細(xì)胞和用于醫(yī)療的陷阱細(xì)胞庫。
(5)識別血液異常的生物芯片
美國圣地亞國家實驗室的發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)了納米愛好者的預(yù)言。正像所預(yù)想的那樣，納米技術(shù)可以在血流中進行巡航探測，即時地發(fā)現(xiàn)諸如病毒和細(xì)菌類型的外來入侵者，并予以殲滅，從而消除傳染性疾病。 Micheal Wisz做了一個雛形裝置，發(fā)揮芯片實驗室的功能，它可以沿血流流動并跟蹤像鐮狀細(xì)胞血癥和感染了愛滋病的細(xì)胞。血液細(xì)胞被導(dǎo)入一個發(fā)射激光的腔體表面，從而改變激光的形成。癌細(xì)胞會產(chǎn)生一種明亮的閃光；而健康細(xì)胞只發(fā)射一種標(biāo)準(zhǔn)波長的光，以此鑒別癌變。
需要說明，不要馬上跑到大夫那兒去要納米處方。上面所談的納米醫(yī)學(xué)景觀尚處于設(shè)計和萌芽階段，還有很多的未知需要去探索，例如：這些納米裝置該由什么制成？他們是否可以被人體接受？并發(fā)揮所預(yù)期的作用？科學(xué)家們正在全力以赴地把納米醫(yī)學(xué)的科學(xué)想法變成醫(yī)學(xué)現(xiàn)實。終有一天，醫(yī)藥柜越小，效力越大。
一定有人會問：納米醫(yī)學(xué)是不是科學(xué)幻想？它離我們到底有多遠(yuǎn)？還要等多久才能看到醫(yī)學(xué)實現(xiàn)？事實上，它已經(jīng)開始步入現(xiàn)實，并獲得蓬勃發(fā)展。
(1) 智能藥物
這是納米醫(yī)學(xué)中的一個非常活躍的領(lǐng)域，適時準(zhǔn)確地釋放藥物是它的基本功能之一。科學(xué)家正在為糖尿病人研制超小型的，模仿健康人體內(nèi)的葡萄糖檢測系統(tǒng)。它能夠被植入皮下，監(jiān)測血糖水平，在必要的時候釋放出胰島素，使病人體內(nèi)的血糖和胰島素含量總是處于正常狀態(tài)。最近，美國麻省理工學(xué)院的研究者做出了微型藥房的雛形：一種具有上千個小藥庫的微型芯片，每一個小藥庫里可以容納25納升的任何藥物，例如止痛劑或抗生素等。它的研究者之一Robert Langer說，目前這個芯片的尺寸還相當(dāng)于一個小硬幣，可以把它做得更小，裝上一個"智能化"的傳感器，使它可以適時和適量地釋放藥物。能否在形成致命的腫瘤之前，早期殺滅癌細(xì)胞？美國密西根大學(xué)的James R. Baker Jr.博士正在設(shè)計一種納米"智能炸彈"，它可以識別出癌細(xì)胞的化學(xué)特征(chemical "signatures")。這種"智能炸彈"很小，僅有20納米左右，能夠進入并摧毀單個的癌細(xì)胞。此裝置的研制剛剛開始，而初步的人體實驗至少要五年以后才能進行。
(2) 人工紅血球
納米醫(yī)學(xué)不僅具有消除體內(nèi)壞因素的功能，而且還有增強人體功能的能力。我們知道，腦細(xì)胞缺氧6至10分鐘即出現(xiàn)壞死，內(nèi)臟器官缺氧后也會呈現(xiàn)衰竭。設(shè)想一種裝備超小型納米泵的人造紅血球，攜氧量是天然紅血球的200倍以上。當(dāng)人的心臟因意外，突然停止跳動的時候，醫(yī)生可以馬上將大量的人造紅血球注入人體，隨即提供生命賴以生存的氧，以維持整個機體的正常生理活動。美國的納米技術(shù)專家Robert Freitas初步提出的人造紅血球(respirocyte)的設(shè)計,已成為納米技術(shù)的標(biāo)志性結(jié)果。這個血球是個一微米大小的金剛石的氧氣容器，內(nèi)部有1000個大氣壓，泵浦動力來自血清葡萄糖。它輸送氧的能力是同等體積天然紅細(xì)胞的236倍，并維持生物炭活性。 它可以應(yīng)用于貧血癥的局部治療、人工呼吸、肺功能喪失和體育運動需要的額外耗氧等。它的基本設(shè)計和結(jié)構(gòu)功能，以及與生物體的相容性等已有專著詳細(xì)論述。在此僅對其結(jié)構(gòu)功能做簡單介紹。
它的腔體外殼是與生物體相容的金剛石，腔內(nèi)儲氧，開口處是一個可以從腔內(nèi)向外傳遞氧的轉(zhuǎn)子，隨其旋轉(zhuǎn)，將氧分子輸入血液。
(3)納米藥物輸運
納米微粒藥物輸送技術(shù)也是重要發(fā)展方向之一。按目前的認(rèn)識，有半數(shù)以上的新藥存在溶解和吸收的問題。由于藥物顆粒縮小時，藥物與胃腸道液體的有效接觸面積將增加，所以藥物的溶解速率隨藥物顆粒尺度的縮小而提高。藥物的吸收又受其溶解率的限制，因此，縮小藥物的顆粒尺度成為提高藥物利用率的可行方法。 納米晶體技術(shù)可將藥物顆粒轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米粒子，同時提高溶解性，以提高難溶性藥物的藥效率。粉碎過程會使粒子間的相互作用力增加，為了避免納米顆粒在粉碎過程中聚合，加工中，不溶的藥物是被懸浮在含一般認(rèn)為安全的穩(wěn)定劑和賦形劑的懸浮液中。深入研究的制粉技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)⑺幬锟s小到400納米以下。 同時，這些賦形劑在胃腸道中起表面活性劑的作用，也提高了納米藥物顆粒的溶解率。一旦，不溶性藥物轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的納米顆粒，就適合于口服或者注射了。
納米醫(yī)學(xué)將給醫(yī)學(xué)界，諸如癌癥、糖尿病和老年性癡呆等疾病的治療帶來變革，已經(jīng)獲得越來越多的認(rèn)同。利用納米技術(shù)能夠把新型基因材料輸送到已經(jīng)存在的DNA里，而不會引起任何免疫反應(yīng)。樹形聚合物(dendrimers) 就是提供此類輸送的良好候選材料。因為，它是非生物材料，不會誘發(fā)病人的免疫反應(yīng)，沒有形成排異反應(yīng)的危險；所以，可以作為藥物的納米載體，攜帶藥物分子進入人體的血液循環(huán)，使藥物在無免疫排斥的條件下，發(fā)揮治病的效果。這種技術(shù)用于糖尿病和癌癥治療是很有希望的。
(4) 捕獲病毒的納米陷阱
密西根大學(xué)的Donald Tomalia等已經(jīng)用樹形聚合物發(fā)展了能夠捕獲病毒的納米陷阱。體外實驗表明納米陷阱能夠在流感病毒感染細(xì)胞之前就捕獲它們，同樣的方法期望用于捕獲類似愛滋病病毒等更復(fù)雜的病毒。此納米陷阱使用的是超小分子，此分子能夠在病毒進入細(xì)胞致病前即與病毒結(jié)合，使病毒喪失致病的能力。
通俗地講，人體細(xì)胞表面裝備著含硅鋁酸成分的"鎖"，只準(zhǔn)許持"鑰匙"者進入。不幸的是，病毒竟然有硅鋁酸受體"鑰匙"。Tomalia的方法是把能夠與病毒結(jié)合的硅鋁酸位點覆蓋在陷阱細(xì)胞(glycodendrimers)表面。當(dāng)病毒結(jié)合到陷阱細(xì)胞表面，就無法再感染人體細(xì)胞了。陷阱細(xì)胞由外殼、內(nèi)腔和核三部分組成。內(nèi)腔可充填藥物分子；將來有可能裝上化療藥物，直接送到腫瘤上。陷阱細(xì)胞能夠繁殖，生成不同的后代，個子較大的后代可能攜帶更多的藥物。盡管原因尚不明確，所觀察的特點是越大效果越好。研究者希望發(fā)展針對各種致病病毒的特殊陷阱細(xì)胞和用于醫(yī)療的陷阱細(xì)胞庫。
(5)識別血液異常的生物芯片
美國圣地亞國家實驗室的發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)了納米愛好者的預(yù)言。正像所預(yù)想的那樣，納米技術(shù)可以在血流中進行巡航探測，即時地發(fā)現(xiàn)諸如病毒和細(xì)菌類型的外來入侵者，并予以殲滅，從而消除傳染性疾病。 Micheal Wisz做了一個雛形裝置，發(fā)揮芯片實驗室的功能，它可以沿血流流動并跟蹤像鐮狀細(xì)胞血癥和感染了愛滋病的細(xì)胞。血液細(xì)胞被導(dǎo)入一個發(fā)射激光的腔體表面，從而改變激光的形成。癌細(xì)胞會產(chǎn)生一種明亮的閃光；而健康細(xì)胞只發(fā)射一種標(biāo)準(zhǔn)波長的光，以此鑒別癌變。