納米技術的兩面性

胡德良/編譯

納米技術的兩面性

胡德良/編譯

計算機生成的BIND-014藥物模型顯示：自組裝外脂質層中封閉著一種化療藥物，只有納米粒子準確找到腫瘤細胞時，這種藥物才會釋放出來

● 需要權衡納米粒子的毒性和納米醫學的潛力。

2010年，亞利桑那州藝術史教授伊夫林·索倫森（EvelynSorensen）成為一名II期宮頸癌患者，當時癌細胞已經擴散到淋巴結。由于她的生命只有一年時間了，醫生告訴她說：告別家人，去度假吧。就像在報紙上的報道中所描述的那樣，索倫森不甘心接受這個令人沮喪的預測，堅持要查看臨床試驗清單，結果她了解到馬薩諸塞州坎布里奇的一項試驗——一家叫作BIND生物科學公司的企業正在利用超小型納米技術移動顆粒來攻擊腫瘤。索倫森參加了一項試驗，這項試驗是由亞利桑那州鳳凰城轉化基因組學研究院丹尼爾·凡·霍夫（DanielVonHoff）主持的。經過首次治療，索倫森的腫瘤縮小了70%。幾年之后，盡管索倫森仍在服藥，但是醫生確認她的身體中沒有顯示出癌癥的跡象。

索倫森利用的臨床治療方法被稱為BIND-014，這是一種帶有化學涂層的納米粒子，經過設計，利用這種納米粒子來尋找惡性細胞，并輸送強效化療藥劑——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療法是由哈佛醫學院的奧米德·法羅哈扎德（OmidFarokhzad）以及麻省理工學院的研究人員開發的，目前處于各種癌癥治療的II期試驗階段。據報道，在對付非小細胞肺癌方面，該療法顯示出值得肯定的結果。然而，其他試驗的結果非常混雜，使BIND公司一度陷入短暫的財務危機中，這充分說明了該行業具有不成熟性和潛在的波動性。

納米材料取得重大突破的領域不僅僅局限于醫藥行業。在過去的20年中，對于大小范圍在1納米到幾納米的材料，在設計和制造方面進行了廣泛的研究，這項全球性的研究工作通常被稱為納米科學或納米技術，含有納米材料的產品數量正在快速增長。伍德羅-威爾遜國際學者中心出版了納米技術消費品庫存在線數據庫，其中列出了1600多種基于納米技術的市場消費品。

科學家和投資者正在轉向更加廣泛、面向應用的領域，如醫療衛生和生物醫學領域。在2013年的報告中，技術市場研究企業勒克斯研究公司（Lux Research）的結論是，政府對納米技術的支持在2009年達到頂峰，支持金額為83億美元，此后支持力度處于持續下降的態勢。有幾個國家停止了專門的納米技術計劃，將該計劃并入其他科技計劃中。但是，勒克斯公司還預測：盡管支持納米技術的資金有所減少，納米材料和中等尺度產品（如涂料、記憶芯片和催化劑）的經營在總體上正在產生凈利潤。該報告指出：納米材料市場將繼續增長，到2018年會達到3.2萬億美元。盡管毒理學家擔心廣泛接觸納米材料或直徑小于100納米的顆粒會給環境和健康帶來潛在的有害影響，但是最近納米醫藥行業的商業化成功案例正在激起生物技術公司、投資者和制藥企業的強烈興趣。對于這個處于掙扎之中而又充滿希望的領域來說，納米醫學看起來像一個大救星了。

定義納米技術

納米技術是一種轉化型科學，其目標是創建每個原子都位于適當位置的裝置和結構。納米科學超越了傳統科學學科的界限，其研究是在化學、物理、材料科學以及民用、電氣、生物醫學和機械工程等多學科融合的規模上進行的。我們看到納米科學的影響幾乎波及所有領域，包括：醫藥、汽車、能源、農業、消費品等行業，甚至也波及了娛樂業。

納米技術涉及的領域很廣泛，用一個簡單的定義無法說明。通常，納米技術描述為：在原子和分子的尺度上控制物質材料的相關科學。納米（nano）來自希臘語單詞nanos或nánnos，意思是“矮小的、小型的”。作為長度單位的納米是這樣換算的：1納米等于10億分之一米，太過短小難以理解和把握。科學家和工程師會利用常見的事物來描述納米，例如，國家納米技計劃中指出：“1納米是人類頭發直徑的約10萬分之一，或者說是紅細胞的千分之一，或者說大約是DNA直徑的一半。”有時，研究人員會簡單地、毫無幫助地把納米描述為：“納米真的非常非常小。”已故的化學家哈里·克羅托爵士（SirHarryKroto）曾經打了個比方，如果納米像人的頭顱那么大，那么人的頭顱就會像整個地球那么大。即使這樣，仍然很難直觀地去理解和想象納米。

物理學家理查德·費曼（RichardFeynman）是最早設想納米技術的人之一，他在1959年的演講《底部擁有充足的空間》中描述了納米技術的哲學基礎。“納米技術”這個詞最初是由谷口紀男提出的，他在1974年描述了一種新技術，利用這一技術可以在小于微米的尺度上對材料進行控制和設計。科學家現在已經報道過天然存在的納米粒子和工程化的納米粒子。自然產生的納米粒子包括：海洋噴霧、森林火災排放、沙塵暴、火山灰和生物顆粒（如通常大小為5納米的蛋白質）。長期以來，人們一直在接觸由燃燒引起的天然納米粒子，從很大程度上來說，人的身體對此能夠很好地適應，能夠保護自身不受這些潛在有害外來物的侵害。

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：第一類沒有預定的大小，可能會表現出不確定的化學性質，如：燃燒釋放的顆粒、柴油機排放的尾氣、焊接釋放的煙霧和粉煤灰；第二類是那些被稱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體（如：為基因或藥物輸送設計的脂質體和病毒）組成。

系列應用

通過新的各種納米制備技術，現在科學家和工程師可以準確創造出幾乎所有的納米材料，這種材料可以用來有效轉換能量，可以輸送醫用納米膠囊或藥物，可以對作物精確施用除草劑和殺蟲劑，可以提高藥物的溶解度和生物利用度。精確構建的納米結構在應用方面還包括計算機和射頻標簽中的納米芯片元件，這些元件用于自動識別、跟蹤食品和動物。IBM、惠普等公司的研究人員正在將納米級邏輯電路安裝在單個碳納米管和納米線、納米晶體管和納米開關之間，這樣的電路比當前的硅晶體管占用的空間更少、速度更快、溫度更低。

納米技術傳感器可以用在個人健康監測器和能夠檢測污染物、毒素和病原體的環境探測器上。根據行業分析企業NanoMarket公司的預測：在許多應用領域，納米傳感器的應用還會持續增長。該公司預計，增長的關鍵動力是提高靈敏度和能夠同時檢測多種化合物。NanoMarket公司還預測，納米技術工具會不斷發展。深刻認識納米尺度的現象對于提高現有納米傳感器的性能至關重要，這不僅會影響到傳感器市場，還可以支持研究人員以創新機制為基礎對納米傳感器進行開發。預計納米技術的轉型機會將會出現于新型傳感的應用，其中的生化傳感器將會利用不同尋常的納米尺度現象來判斷疾病標記。

納米與化學結構

創造像計算機芯片這樣的小型器件時，這些器件可以從硅基板上蝕刻出來。相比之下，納米結構材料是這樣制造出來的：通過將一種物質添加到另一種物質上，使物質的各種性質發生改變或改善。因此，盡管硅的微加工是在0.2微米的尺度范圍內進行的，但是納米技術的基本尺度約為一個原子的直徑：0.0008微米。

眾所周知，為特定功能而設計的分子一直是現代化學中的一部分。但納米技術與化學不同，它不僅僅局限于溶液中分子和離子之間的吸引和結合。一旦“自下而上”的具體過程（創建原子級的精確結構）制定出來，那么新型納米機械和納米制備系統的設計跟機械工程就非常相似。該方法既可以應用于單個小型部件，也可以應用于大型系統。

在常規的化學反應中，鍵使原子結合，反應物保持在促進最低自由能的精確方向，每一種反應物都具有不連續的能量。在化學反應中發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。在納米技術中，通過“分子機器”進行相同的反應。在分子機器中，反應物通過輸送帶上的夾具保持精確方向，在適當角度和力量下結合在一起。輸送帶隨著反應的發生而移動，這樣可以每秒催化超過100萬次的反應。

然而，納米技術的快速發展、納米產品和工藝的不斷改進，既提供了巨大的機遇，也帶來了嚴峻的挑戰。對于游離、不可控的納米粒子仍存在一些懸而未決的問題。研究人員正在尋找方法來區分人為、偶然和天然的納米粒子源。其他的挑戰與許多現有納米技術的不可持續有關，因為這些納米技術需要使用大量的能源、水和溶劑。此外，一些現有的納米制造工藝使用不可再生材料，而且尚不清楚對人體健康會造成怎樣的影響。研究人員正在研究安全、可持續的替代品，但是對于某些納米材料的安全性問題，他們還沒有找到解決方案。

潛在的代表性技術

隨著納米醫療行業的持續增長，預計納米技術對經濟將會產生重大的影響，尤其是在醫療領域。

納米醫學常常利用各種納米顆粒，特別是在癌癥診斷和治療方面。在臨床試驗中，大多數抗癌藥物由于其毒性和缺乏選擇性而受到阻礙，因為這些藥物會殺死正常細胞和癌細胞。科學家正在努力尋找可以選擇靶向攻擊癌細胞和癌組織的抗癌藥物，這些藥物可以使健康組織絲毫無損。

通過提高靶向藥物的輸送效率，納米醫學提供了改進抗癌藥物輸送的替代方法。抗癌化合物依附于納米粒子（如量子點和碳納米管）上，可以高效穿過細胞和組織，從而被細胞吸收。當納米顆粒屬于相對較大的尺度時（在10至100納米的尺度范圍內），它們不能穿過密排的細胞內層而進入相鄰組織。然而，當藥物分子依附于顆粒上時，它們在血液中保持穩定性和完整性，直到達到目標腫瘤。這些納米顆粒藥物軛合物能夠指向癌細胞是因為其大小、形狀和表面特征。最終，納米顆粒藥物的選擇性使藥物對癌細胞的作用達到最大化，使健康細胞完好無損，對患者產生的副作用較少。

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已經通過了I期臨床試驗的安全性測試，現在正在接受II期試驗，以測試其在治療肺癌和前列腺癌方面的療效。BIND-014是通過聚合物串組裝起來的，這種聚合物串能夠自發折疊形成顆粒。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合，并通過設計與靶向癌細胞的粒子結合。這種自組裝過程使批量復制分子更加容易，并且可能最終把這一技術轉化到臨床應用上來提供獨特的優勢。

另一個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，通過影響癌細胞 RNA的功能來抑制腫瘤生長。CALAA-01中的siRNA在穩定的納米顆粒內不會降解。目前，該藥已進入 Ib期臨床試驗階段。

納米毒理學

要確定納米尺度顆粒的所有物理、化學或生物學的獨特特征具有挑戰性。這種困難會增加人們的擔憂：這些新材料可能是產生毒性的潛在原因。納米結構具有與其物理尺度相關的電子特點、光學特點和磁性特點，當這些納米結構分解時，可能會產生難以預測的毒性反應。納米結構表面可以參與催化反應和氧化反應，由于較高的面積/體積比值，它們的毒性會比類似而尺度較大的材料更大。此外，一些納米結構材料含有有毒金屬或有毒化合物，當母體材料分解時，毒素就會釋放出來。

盡管納米醫學的進步允許研究人員實施定制的藥物輸送，但其他方面的發展正在產生某些健康和環境方面的問題。

人們關注較多的一類工程納米顆粒是碳納米管。碳納米管技術已經獲得了5000多項專利，此外還有5萬多種相關專利。最常見的類型包括：具有幾個同心壁的多壁碳納米管、一層構成的單壁碳納米管。碳納米管非常適用于電子、結構工程和醫藥領域，因為它們具有獨特的導電性、機械強度和易于衍生化（針對藥物輸送的定制應用）。在化學術語中，衍生化是指將化合物轉變成具有相似化學結構的產物的技術，轉變后的材料稱為衍生物。

然而，監管機構、醫護人員、環保人士、健康倡導者和一些其他的普通大眾越來越關心接觸碳納米管所帶來的問題。許多研究發現：將碳納米管注入小鼠、大鼠和豚鼠的肺部可能會導致肉芽腫、炎癥和纖維化。當皮膚吸入、攝取或接觸到多壁碳納米管之后，多壁碳納米管毒性就會增加。碳納米管的長寬之比跟石棉類似，而石棉的纖維晶體會引起肺癌、間皮瘤和石棉沉滯癥；因此，碳納米管非常麻煩。其中許多研究并沒有產生支持流行病學的數據，表明這些研究還存在很大差距。

納米醫學的進步使科學家能夠明確藥物輸送的化學機制，確定各種納米顆粒的成分，但是該領域其他的發展正在引起對健康和環境的關注。第8屆國際納米毒理學大會（Nanotox2016）于 2016年在波士頓舉辦，大會的主題為“納米毒理學的10年發展：對人類健康和環境的影響”。會議日程上有幾十項報告，此次會議聚集了世界上最多的納米毒理學家。專家小組審查了過去10年的納米毒理學研究，他們贊成兩項重大成就。第一項成就為：在傳統的核心學科以外，納米毒理學作為真正的跨學科領域所發生的變化。第二項成就為：大會將這種變化歸功于：對過去新技術商業化過程中所犯錯誤的清醒認識、科學共同體對納米技術安全發展的承諾。

大會也承認，納米科學的某些方面可以從不同的方式進行研究。例如，納米毒理學研究中所使用的劑量大小的測量具有挑戰性。有時，研究中使用的劑量如此之大，跟現實世界中的情況沒有關聯，從而導致有疑問的發現。在尋求評估納米毒性的標準方法方面仍然存在其他懸而未決的問題。為此，大會設立了可持續納米技術組織，以確定納米技術的經濟、倫理和社會效益。總體而言，該領域的研究人員認識到：需要開發特征參數、計量工具、新型儀器和協議，協議中要能夠提供工程納米材料跟生物、環境系統之間相互作用的信息。

在這種具有前瞻性的氛圍中，人們的擔憂和新型生物醫學應用之間的相關爭論仍會繼續。但是，有一點是明確的：納米技術的兩面性會依然存在，利益和風險仍會并存。

[資料來源：AmercianScientist][責任編輯：岳 峰]

本文作者奧默伍米·沙迪克（OmowunmiSadik）是紐約州立大學賓厄姆頓分校生物分析與環境化學教授，她從澳大利亞伍倫貢大學獲得博士學位，也是科學研究榮譽協會SigmaXi著名的授課專家。