纳米生物效应的研究进展

纳米生物效应的研究进展作者：王镇轩上海交通大学生命科学技术学院学号： 1080809074纳米技术是世纪年代出现的一门新兴技术。 它是在尺度的空间内研究电子、 原子和分子运动规律和特性的崭新技术。 由于该技术将最终使人类能够按照自己的意愿操纵单个原子和分子 , 以实现对微观世界的有效控制 , 所以被认为是对世纪一系列高新技术的产生和发展有极为重要影响的一热门学科。 纳米技术在生物学、 医学、 化学和物理学各领域正取得越来越大的进展 , 已成为当前发达国家投入最多 , 发展最快的科学研究和技术开发领域之一。1 纳米效应纳米粒子具有以下的效应：1.1 小尺寸效应当纳米粒子的尺寸与光波的波长、 传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或更小时, 周期性的边界条件被破坏, 声、光、电、磁、热力学特性等均会随着粒子尺寸的减小发生显著的变化 . 这种因尺寸的减小而导致的变化称为尺寸效应,也叫体积效应. 它是其它效应的基础 . 如利用随纳米尺寸减小 , 光吸收显著增加, 产生吸收峰等离子共振频移 , 由磁有序状态向磁无序状态, 由超导相向正常相的转变和声子谱的改变等 .1.2 表面效应表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。表面原子处于“裸露”状态, 周围缺少相邻的原子, 有许多空悬键, 易与其它原子结合而稳定, 具有较高的化学活性。表面效应是纳米粒子及固体材料中最重要的效应之一。1.3 量子尺寸效应量子尺寸效应是指纳米粒子尺寸下降到一定值时, 费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象。1.4 宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。 近年来的研究发现某些宏观量如微粒的磁化强度 , 量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有穿越宏观系统的势垒而产生变化的隧道效应宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有重要意义, 它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。2 纳米生物效应的研究背景及研究内容纳米生物效应研究是基于一项长期流行病学研究的结果, 该研究发现人的发病率和死亡率与他们所生活周围环境空气中大气颗粒物浓度和颗粒物尺寸密切相关, 死亡是由剂量非常低的相对较小的颗粒物引起的 , 科学家们推测可能与小于超细颗粒物有关。这些超细颗粒物具有特殊生物机制 , 可能会直接作用于心血管系统, 也可能会通过增加血豁度或促进凝血而导致心血管疾病的发生。 由于以下的物质正好是纳米科学技术在努力发展的领域 , 因此 , 世界 卫生组织呼吁要优先研究超细颗粒物 , 尤其是纳米尺度颗粒物的生物效应。纳米生物效应是将纳米技术与生物、 化学、 物理、 毒理学与医学等领域的实验技术结合起来 , 研究纳米尺度物质与生命过程相互作用及其结果的一个新兴科学领域。当物质细分到纳米尺度时, 会出现一些特殊的物理化学性质, 即使化学组成相同 , 纳米物质的生物效应可能不同于微米尺寸以上的常规物质。因此, 根据常规宏观物质研究所得到的毒理学数据库与安全性评价结果, 可能并不适用于纳米物质。 科学家们推测 , 纳米尺度物质对生命过程的影响, 有正面的也会有负面的。 正面纳米生物效应 , 将给疾病早期诊断和高效治疗带来新的机遇和新的方法负面纳米生物效应也称为纳米毒理学 , 研究纳米物质对人体健康、 生存环境和社会安全等的潜在负面影响。科学家们推测。 纳米尺度物质对生命过程的影响。 有正面的也会有负面的。 正面纳米生物效应， 将给疾病早期诊断和高效治疗带来新的机遇和新的方法。 负面纳米生物效应， 称为 纳米毒理学， 它研究纳米物质对人体健康、 生存环境和社会安全等的潜在负面影响。 纳米生物效应研究的另一个重要方向是如何通过物理或化学的方法来消除纳米物质的毒性， 使纳米技术成为人类第一个在其可能产生负面效应之前， 就已经过认真研究， 引起广泛重视， 并最 终能安全造福人类。3 国际研究现状和发展趋势早在 2001 年 11 月，中国科学院高能物理研究所就提出了“开展纳米生物效应&毒性与安全性研究”的建议。该建议引起了中科院和高能所两级领导的高度重视和支持。 2002 年开始筹建，并于2004 年对原有的纳米生物组、稀土金属毒理组、重金属毒理组和有机卤素的生物效应与毒理学研究组进行整合，正式成立了我国第一个“纳米生物效应实验室”。2004 年 11 月 31 日 12 月 2 日，以“纳米尺度物质的生物效应与安全性”为主题的第 243次香山科学会议召开，来自全国 20 多个研究单位的专家对纳米生物效应与安全性的问题，进行了深入讨论。目前， 国内纳米生物效应的研究工作主要从生物整体水平、 细胞水平、 分子水平和环境等几个层面开展， 其重点是研究纳米物质整体生物学效应以及对生理功能的影响、 纳米物质的细胞生物学效应及其机制以及大气纳米颗粒对人体作用和影响等领域的研究。相对于国内对纳米生物效应的研究，国际上对此的重视更能说明问题：2003 年 4 月， Science 首先发表文章讨论纳米材料与生物环境相互作用可能产生的生物效应问题。随后， Nature 和 Science 杂志在 1 年内 , 先后 4 次发表编者文章, 美国化学会以及欧洲许多学术杂志也纷纷发表文章, 与各个领域的科学家们探讨纳米生物效应, 尤其是纳米颗粒对人体健康， 生存环境和社会安全等方面是否存在潜在的负面影响， 即纳米生物环境安全性问题。2003 年 10 月，美国政府在没有预算的情况下，增拨专款600 万美元启动了纳米生物效应的研究工作。 2004 年 6 月 18 日 Science 报道：美国将把纳米计划 (NNI) 的总预算的 11%投入纳米健康与环境的研究。中国科技日报 2004 年 12 月 15 日报道：美国国家环保局宣布， 美国国家环保局、 国立卫生研究院开始实施“国家毒物学计划”， 美国职业安全和保健局、 美国食品与药物管理局也开始支持研究纳米材料对环境和人可能造成影响的研究， 比如对肺和皮肤影响的研究等。 2005 年美国化学会春季年会上，已经将纳米生物效应与纳米毒理学作为新的研究领域。 2004 年美国、英国、法国、德国、日本、中国以及中国台湾相继召开纳米生物环境效应的学术会议。当前，越来越多基于纳米生物效应的研究得到了极大的关注，其主要体现在如下方面：3.1 生物检测方面利用一滴样本溶液就能快速地鉴定其中的微小分子，如DN戚毒性物质，已不再是遥不可及的事了， 美国国家标准及科技机构( National Institute of Standards and Technology ，NIST)的科学家研发出一种纳米 级的筛网，能侦测并分类不同分子量的的分子聚合链( polymer chain ) 1 。研究人员制造了宛如细胞膜的脂质双层膜( lipid bilayer ) ，再以金黄色葡萄球菌(Staphyloccoccus aureus )的 a-溶血素(a - hemolysin )将之打洞，此孔洞最小的孔径只有 1.5 纳米(人类头发的直径约为 10,000 纳米) ，研究人员以溶液中不同大小的 PEG(polyethylene glycol )混合物进行分析，再拿其中一种高纯度的PEG进行比对，结果显示混合溶液中该种 PEG的质谱图几乎与标准品完全相同，显示这个纳米级的分子筛对于微小 分子的身份确认极具潜力。3.2 转基因研究方面硅纳米颗粒过去常常用于动物细胞和组织的转基因研究， 美国爱荷华州州立大学的研究者将这一技术运用于植物获得了成功， 他们通过这项技术将一基因和诱导该基因表达的化学诱导物同时转入植物细胞， 使转入的基因获得了表达。 这一技术通过将转入物质装入硅纳米 颗粒的缝隙里，然后在颗粒表面覆盖金粉，轰入植物细胞内实现转基因。FrancoisTorney 和他的同事利用该技术将绿色荧光蛋白报告基因分别转入了烟草和玉米细胞中，雌二醇作为诱导物被同时转入，另设不转雌二醇诱导物的对照。研究发现，在不用金粉覆盖硅颗粒的情况下，由于雌二醇释放从而诱导报告基因快速表达。 Torney 及其同事认为这种多功能技术经过改进后或许可以为向植物细胞内转移蛋白、 核酸和其他化学物质提供新途径2 。3.3 疾病治疗方面美国科学家最近研制出一种纳米粒子，可用于运载特定的核糖核酸( RNA链，关闭脑 部一个与毒瘾有关的基因，这将有助于开发出治疗毒瘾的新疗法。据美国 国家科学院院刊 网络版 3 月 26 日报道， 过去的研究已发现， 一种称为 DARPP-32 的脑部蛋白质在毒品成瘾过程中起关键作用。经过特别设计的RNA链可以干扰相关基因，阻止该蛋白质分泌，因此有助于治疗毒瘾，但是缺乏安全有效的方法来将RNAB1运送到所需要的部位。美国纽约州立大学布法罗分校的科学家说， 他们设计出一种杆状的纳米粒子， 可以作为“运输工具”搭载治疗所需的RNA链，穿过血液与脑组织之间的屏障进入脑细胞。实验表明，搭载在这种纳米粒子上的RNA1,有48嘴总穿过血脑屏障，效率比以往方法大大提高。报道说，利用这种纳米粒子运载其他RNAB1,还可治疗帕金森氏症、癌症及一些神经性疾病。该研究小组的一些科学家还将尝试用这种方法治疗艾滋病、痴呆症和哮喘等3 。随着纳米金在生物医学领域的广泛应用， 有关纳米金的生物安全性逐渐成为人们关注的新热点。在在线出版的自然材料学 ( Nature Materials )期刊上，另有作者发现，当将条纹状的不同配合基以彼此相间的方式覆盖在纳米颗粒表面时， 这种纳米颗粒就可以直接穿入细胞而不会在细胞上留下洞穴， 从而不会引起细胞的死亡。 在未来的治疗中， 可以用这种方法将生物活性的分子送入细胞中。细胞膜具有高度的防御能力，不会让外界物质轻易进入。尽管也有部分生物分子能穿越细胞膜进入细胞之中，但具有类似大小的人工合成分子是否也能穿越细胞呢？曾有一段时间， 学术界在这个问题上有相当的争论。 通常， 人工合成分子只能进入细胞中一个有限制的特定小区域， 而不是细胞质溶液中。 对于像带正电荷的纳米颗粒来说， 它们进入细胞时会在细胞膜上产生出一个小小的过渡性洞穴，即使这样也会使细胞膜破裂，导致细胞死亡。Francesco Stellacci 和同事发现， 黄金纳米颗粒能够穿越细胞膜不会导致细胞膜破裂，而且， 如果以彼此间隔的形式在这种纳米颗粒表面涂上负电荷配合基和疏水配合基， 那么它们还能进入细胞液中。 如果这些配合基在纳米颗粒表面是随意排列的， 那么即使是涂上相同数量的配合基，这些颗粒也不能直接穿过细胞膜4 。自由基的氧化损伤是构成细胞毒性的机理之一。 研究人员以纳米金与血液的相互作用为切入点， 深入研究了纳米金与血液中内源性多肽的相互作用。 实验发现纳米金可以促使血液中NO含量迅速提高。进一步研究表明，该现象起因于血液中内源性亚硝基化的疏基蛋白 （或 多肽）与纳米金通过Au-S键相互作用时，释放出活性的一氧化氮（NO）。在细胞内部，释放的NO极可能与超氧阴离子发生反应生成氧化活性强、破坏性更大的过氧亚硝基阴离子，从 而诱发一系列的氧化应激效应。这一发现对纳米金作为生物探针、 药物的载体及赋型剂在细胞或生物体内的应用给予了警示。 本报道引起审稿人的极大兴趣， 并得到了高度评价， 他们认为此项工作对纳米金在生物医学中的应用和与NO相关的研究具有非常重要的意义5。3.4 生物调控方面近年来， 科学家们发现， 在纳米管内的生物大分子、 有机小分子以及水分子等无机分子，由于纳米管管壁的束缚作用， 它们的结构、 动力学行为乃至它们之间的相互作用、 化学反应方式都与其在体相中的状态和行为有显著差别。 如果我们能通过某种手段操纵位于纳米管内的分子， 使不同的分子相互靠近以便发生相互作用或者化学反应， 我们将会看到在常规条件下难以得到的很多动力学行为和产物。 但是， 一旦分子被置入纳米管内， 现有的实验手段很难对它们的位置进行操控。在课题组前期工作“被约束在纳米孔穴中的水之特性的理解”基础上，修鹏等利用纳米管外的电荷操控纳米管内的水滴，从而达到操控水滴内生物分子位置的目的 6 。3.5 结构组装方面中科院过程工程所生化工程国家重点实验室马光辉课题组博士研究生魏炜等， 利用天然多糖的模板作用， 在温和的条件下制备出多种结构新颖、 大小可控的碳酸钙纳米晶自组装体，并揭示了其形成机理和组装过程。其中具有中空结构的纳米晶自组装体用于抗癌药物载体时， 具有明显的优势。 这种纳米晶自组装体不仅可以增加癌细胞对药物的摄取量， 而且可以选择性地在癌组织释放药物， 并且具有明显的细胞核聚集和入侵效应， 从而增强对癌细胞的杀伤效果 7 。利用生物分子进行纳米结构组装是生物纳米技术的研究前沿热点之一。 国家纳米科学中心刘冬生研究员领导的研究小组和中科院微生物所方荣祥院士课题组合作，利用最小为 50 个碱基对长度的双链核酸为模版， 成功实现了黄瓜花叶病毒衣壳蛋白的组装， 获得了微米级 长度的蛋白纳米线。 此结果突破了前人利用烟草花叶病毒时所需核酸序列过长及不适于大规模制备的限制，为此方法在纳米结构组装、基因药物输送等领域的应用打下了良好基础8 。而今， 越来越多的研究进展远不局限于上面所述的几个方面。 纳米生物效应研究， 是一个典型的综合性强的交叉学科领域，需要纳米科技、细胞生物学、分子生物学、高灵敏度的核技术、临床医学、基础医学、毒理学、物理学、化学和分析科学等多学科的融合交叉，需要各个领域的研究者的共同参与，需要各个领域研究单位的团结合作，进行人才、信息、技术，仪器设备等资源的共享，才能有效地完成纳米生物环境效应的研究。因此，纳米生物效应研究不仅推动纳米科技的健康发展， 还能为上述许多学科提出新的科学问题， 推动各学科的发展。我们有理由相信，纳米生物技术的研究，在当前及不远的将来，定能在促进人类的进步及生活质量的提高等方面上，做出更大的贡献。参考文献 1 1 Robertson, J. W., C. G. Rodrigues, V. M. Stanford, K. A. Rubinson, O. V. Krasilnikov, and J. J. Kasianowicz. 2007. Single-molecule mass spectrometry in solution using a solitary nanopore. Proc Natl Acad Sci U S A104: 8207-11. 2 Torney, F., B. G. Trewyn, V. S. Lin, and K. Wang.2007. Mesoporous silicananoparticles deliver DNAand chemicals into plants. Nat Nanotechnol 2: 295-300. 3 Bonoiu, A. C., S. D. Mahajan, H. Ding, I. Roy, K. T. Yong, R. Kumar, R. Hu, E.J. Bergey, S. A. Schwartz, and P. N. Prasad. 2009. Nanotechnology approach for drug addiction therapy: gene silencing using delivery of gold nanorod-siRNA nanoplex in dopaminergic neurons. Proc Natl Acad Sci U S A106: 5546-50.4 Verma, A., O. Uzun, Y. Hu, H. S. Han, N. Watson, S. Chen, D. J. Irvine, and F.Stellacci. 2008. Surface-structure-regulated cell-membrane penetration by monolayer-protected nanoparticles. Nat Mater 7: 588-95.5 Jia, H. Y., Y. Liu, X. J. Zhang, L. Han, L. B. Du, Q. Tian, and Y. C. Xu.2009.Potential oxidative stress of gold nanoparticles by induced-NO releasing in serum. J Am Chem Soc 131: 40-1.6 Xiu, P., B. Zhou, W. Qi, H. Lu, Y. Tu, and H. Fang. 2009. Manipulating Biomolecules with Aqueous Liquids Confined within Single-Walled Nanotubes. J Am Chem Soc.7 Wei, W., G. H. Ma, G. Hu, D. Yu, T. McLeish, Z. G. Su, and Z. Y. Shen.2008.Preparation of hierarchical hollow CaCO3particles and the application as anticancer drug carrier. J Am Chem Soc 130: 15808-10.8 Xu, Y., J. Ye, H. Liu, E. Cheng, Y. Yang, W. Wang, M. Zhao, D. Zhou, D. Liu, and R. Fang. 2008. DNA-templated CMV viral capsid proteins assemble into nanotubes. Chem Commun (Camb): 49-51.