Bringing science and development together through original news and analysis

促进卫生的纳米技术:事实与数字

发展中国家能够使用纳米技术改善卫生吗?Priya Shetty审视了纳米医学的前景。

纳米技术——关于极小尺度的科学——具有促进卫生保健的极大潜力,这包括更有效地给药、更迅速地诊断疾病和通过气溶胶和胶布进行免疫接种。

 纳米技术是关于分子或亚原子层次上的材料科学。它涉及了对小于100纳米的颗粒的操纵,这种技术涉及了开发这种尺寸内的材料的技术——这种尺 寸对人类肉眼而言是不可见的,而且常常只有人类头发直径的几百分之一。材料在缩小到纳米尺度的时候,它们的物理和化学性质常常变得极为不同,它们具有不同 于原来的强度、导电性和反应,利用这些性质可能让医学发生革命。

例如,现代医学的一个重大挑战是人体不能吸收全部药物剂量。利用纳米技术,科学家可以确保药物更准确地输送到人体的特定区域,而且可以把药物调配成让活性成分更好地穿透细胞膜,减少所需的剂量(见专文1)。

富国正在对促进卫生的纳米技术大量投资。例如,第一代通过纳米颗粒给药的癌症药物已经被美国食品与药品管理局(FDA)批准。

然而,在卫生保健领域纳米技术仍然刚刚起步,它是否将对于资源贫乏的国家有价值仍然处于激烈的争论中。批评家说,当印度和撒哈拉以南非洲这样的国家的无数人正在因为缺乏基本的卫生保健而死亡的时候,向最先进的技术投资是对金钱的荒唐的浪费。[1]

而且专家担心纳米颗粒对人类健康的毒性,而环境没有得到广泛的研究。例如,2004年英国皇家学会和皇家工程院的一份报告建议把纳米颗粒和纳米管(圆柱形的碳分子,比正常纳米颗粒的导电性更好)视为有危险的废物。[2]

包括巴西、中国、印度、伊朗、马来西亚、墨西哥、新加坡和南非在内的许多新兴国家有雄心勃勃的纳米技术研发计划。它们的政府需要把短期卫生需求和长期技术投资进行平衡。

然而尽管穷国一直有责任加强卫生系统并为更多的人提供医药,纳米技术在更长的时期能够通过让诊断和治疗远远更加有效而挽救生命。

一组科学家已经测绘了纳米技术的使用以及全球卫生需求,他们提出 ,纳米医学对发展中国家是有价值的。他们调查了全世界的科研人员并得出结论说,纳米技术可能极大地对千年发展目标的实现做出贡献。特别是减少儿童死亡、改 善孕妇死亡以及与艾滋病、疟疾和其他疾病作斗争的目标。[3]

诊断与筛查

发展中国家迫切需要更好的疾病诊断方法,而纳米技术提供了探测疾病的许多选项(见关于纳米技术使用的专文1)。

荧光量子点能通过靶向血细胞内膜提升疟疾诊断能力

WHO/TDR/Andy Crump

这样做的一种方法是使用量子点——纳米尺度的半导体,可用于发现疾病的生物传感器,可以让它发出荧光。量子点有时候被称为纳米晶体,它比传统的 有机染料具有很大的优势,因为它们发出的冷光可以被调节成很大范围的频率,而它们在身体中降解的速度也远远更慢。荧光量子点可以用于标记以癌细胞或感染结 核病或艾滋病病毒的细胞为目标的抗体(见关于纳米技术与结核病的专文3)。[4,5]

荧光量子点也可以用于诊断疟疾,方法是通过让它们瞄准形成了血细胞内膜的一张网的蛋白质。这种蛋白质网络的形状在细胞被疟疾感染的时候会发生改变,因此科学家就可以从这些点形成的形状发现疟疾感染。[6]

类似地,碳纳米管和其他纳米颗粒(诸如纳米线)已经被用于探测艾滋病和癌症等疾病的生物传感器。例如,可以通过把核酸探测器与纳米线的末端相连 从而制成癌症生物传感器。这些探测器特别被设计成与指示癌症的生物标记物(如突变的RNA)结合。当突变的RNA与探测器发生简单的相互作用,在纳米线上 就产生了电流,这就被嵌入了这种生物探测器的硅片所探测到。[7]

给药

纳米技术还能够让给药产生革命,方法是克服诸如在体内持续释放药物和改善生物利用度(每剂药的活性成分的数量)等挑战。

一些药物如今可以通过"纳米载具"输送。例如,通过与细胞膜融合从而输送药物载荷的脂质体已经被用于把司他夫定和齐多夫定等艾滋病药物封装在120到200纳米的载具中。[7]由于这些药物的半衰期都很短,包覆脂蛋白有潜力让它们的活性保持更长时间。

其他纳米给药系统包括富勒烯"巴基球"笼和称为树枝状高分子(见专文)的分支纳米分子。

专文1:纳米技术在卫生领域的用途

纳米技术的几项发展可能有助于改善发展中国家的卫生。

疾病诊断与筛查

  • 纳升系统(被称为"芯片实验室"):这是让生物过程自动化的装置,它们使用纳升尺度的流体。
  • 量子点:纳米尺寸的半导体,可以用于发现疾病的生物传感器。由于它们发出荧光,它们可以用于标记患病的细胞。
  •  磁性纳米颗粒:用于纳米传感器。
  • 纳米传感器阵列:碳纳米管的网格。
  • 抗体-树枝状高分子偶联物:分支的纳米分子,末端有用于诊断艾滋病和癌症的抗体。
  •  碳纳米管和称为纳米带或纳米线的扁平细线(常常用金制成)可以用于疾病诊断的纳米传感器,因为它们与指示癌症的生物标记(如突变的RNA)结合。
  •  作为医学影像增强装置的纳米颗粒:医学成像依赖于寻找光被健康组织和患病组织散射造成的不同之处。这种对比越显著,诊断就越准确。纳米颗粒有能力为医学成像技术提供更好的分辨率,让它更容易发现疾病。

给药系统

系统的选择取决于它们与药物的结合以及药物治疗的类型。

  • 纳米封装:它们是包裹着药物的小囊,这确保了药物在体内更缓慢而稳定地释放。
  • 脂质体:由脂双分子膜构成的人工载具,从而让它们能够与细胞膜融合并容易地穿过细胞膜。它们已经被用于治疗诸如癌症、真菌感染、甲肝以及流感等疾病。
  • 树枝状高分子:树状的合成纳米分子,它们的分枝末端携带药物。
  • 巴基球:球状的纳米颗粒,它们能够一次携带多种药物。它们在治疗诸如癌症和其他单一疗法可能导致耐药性的疾病方面有用。
  • 纳米磁体可以携带药物——例如治疗癌症——进入人体并被外部磁体保持在目标部位。这种方法的目的是让药物长时间集中在肿瘤部位从而让它能够被吸收。
  • 具有纳米尺寸的孔的硅镁土是过滤掉水中有害细菌的理想材料。
  • 纳米技术还能够提供不同于注射型疫苗的解决方案,即让灭活的病毒与纳米颗粒相结合,从而增加免疫应答。

卫生监测

纳米管和纳米颗粒可以作为葡萄糖、二氧化碳和胆固醇传感器,还能用于在现场监测体内平衡——人体维持代谢平衡的过程。


在发展中国家,癌症位于正在被纳米医学疗法瞄准的疾病的清单的最前端。(见关于癌症的专文2)。根据世界卫生组织的数字,癌症的发病率正在发展中国家快速上升,占了全部癌症死亡数量的70% 。发展中国家也正在探索用纳米技术应对诸如艾滋病和结核病等传染病。

专文2:纳米技术能帮助治疗癌症吗?

.纳米技术的进展主要集中在癌症方面,主要是诊断和给药。

由聚合物包覆的纳米颗粒携带的药物已经被用于治疗耐多药乳腺癌和卵巢癌,这些癌症对抑制细胞分裂的紫杉醇和抑制癌细胞能量代谢的氯尼达明耐药。这些纳米颗粒被设计成瞄准一种上皮生长因子受体,后者在肿瘤细胞中过度表达。[9]

 [10]及早探测到癌症可以显著改善生存率。在一种微型磁共振传感器中使用磁性纳米颗粒是如此灵敏,以至于科学家可以在1微升的生物样本中探测到最少2个癌细胞,这显著增加了早期检出率。[10]

美国斯坦福大学的科学家已经使用纳米技术设计出了一种杀死癌细胞的高度专一的方法。他们把碳纳米管插入到了癌细胞中,然后让这种组织暴露在近红外激光下,加热了纳米管并且杀死了癌细胞,同时让健康细胞完好无损。[11]


专文3:结核病与纳米技术

印度的中央科学仪器组织已经设计出了一种基于纳米技术的结核病诊断工具,目前正在进行临床试验。这可以减少结核病化验的成本和时间,而且所需的血样数量更少。

纳米技术还被用于更有效地治疗结核病。现有的结核病治疗需要一个复杂的药物方案,服药时间达几个月。许多患者没有正确地服药,或者没能完成疗程。基于纳米技术的药物配方降解更慢,可以输送更多的活性成分,从而需要的剂量更小。

这些药物被包覆在生物可降解的聚合物里面,如脂蛋白和微球体,这确保了持续的给药。聚乳酸/聚羟基乙酸共聚物是一种常用于给药的聚合物,因为它 可以充分降解,而且不会引起免疫反应,这种作为结核病药物载体的聚合物已经成功地通过了美国哈佛大学、印度研究生医学教育学院和南非科学与工业研究理事会 的各研究组进行的测试。

纳米颗粒也可以成为气溶胶结核病疫苗给药的基础。它不需要针头,因此也就不需要经过培训的人员去注射它,这种疫苗在室温下稳定——这对于缺乏可靠冷链的农村地区很重要。


疫苗

纳米技术通过提供影响穷人的疾病的注射式疫苗的替代方案从而可能预示着免疫接种的一个新纪元。注射式疫苗需要卫生保健专业人士进行注射,在发展 中国家特别是农村地区,这种人员可能稀缺。疫苗在运输链中还需要可靠的冷却。科学家正在研究一种气溶胶结核病疫苗(见专文3)他们还正在研究基于纳米技术 的预防西尼罗河病毒与基孔肯雅热的皮肤胶布.[12]

纳米技术可以提供更多可注射疫苗的选择,这依赖于卫生专家对其进行管理

WHO/TDR/Andy Crump

如果把灭活病毒与纳米颗粒结合在一起从而增加免疫应答,可注射的疫苗可能有用。这种方法正在用于设计一种预防流感大流行的疫苗。[13]

领先者

中国位于发展中国家纳米技术领先榜的榜首,注册了最多的纳米技术专利。自从20世纪90年代早期以来,它已经有了一个国家纳米技术项目,而且每年都有大量纳米技术公司建立起来。[14]

印度也在认真对待纳米技术,有30多个研究机构参与研究。东南亚国家特别活跃,马来西亚、菲律宾、泰国和越南都参与了纳米技术的研究。

与此同时在非洲,南非的私营和公立部门都在从事纳米技术的研发。在拉丁美洲位于纳米技术研究领先地位的巴西已经与南非和印度结成伙伴关系,从而通过IBSA纳米技术项目促进南南合作。

许多其他的发展中国家正在希望赶上来。2005年对全球纳米技术研究活动进行的一项调查把各国归类为有国家活动或资助(提出了一个清晰的国家策 略或政府资助)、至少有一个人或一个研究组参与了纳米技术研究,或者政府表达了从事纳米技术研究的兴趣(见表1,改编自[14])。

纳米技术是一门昂贵的科学,但是建立一个研究机构的成本似乎在各国的差异很大。例如,墨西哥和越南说建立一个纳米技术研究所的成本大约是500万美元,但是哥斯达黎加说迄今它建立一个研究机构的成本不到50万美元。[14]

表:纳米技术俱乐部表

 

最不发达国家

发展中国家

转型国家/地区

国家/地区活动或资助

 

阿根廷、亚美尼亚、巴西、智利、中国、哥斯达黎加、埃及、格鲁吉亚、印度、伊朗、墨西哥、马来西亚、菲律宾、塞尔维亚与黑山、南非、泰国、土耳其、乌拉圭、越南

白俄罗斯、保加利亚、塞浦路斯、捷克共和国、爱沙尼亚、中国香港、匈牙利、以色列、拉脱维亚、立陶宛、波兰、罗马尼亚、俄罗斯联邦、斯洛伐克共和国、斯洛文尼亚、韩国、乌克兰

个人或研究组

孟加拉国

博茨瓦纳、哥伦比亚、克罗地亚、古巴、印度尼西亚、约旦、哈萨克斯坦、摩尔多瓦、巴基斯坦、乌兹别克斯坦、委内瑞拉

中国澳门、马耳他、阿拉伯联合酋长国

国家兴趣

阿富汗、塞内加尔、坦桑尼亚

阿尔巴尼亚、波斯尼亚与黑塞哥维那、厄瓜多尔、加纳、肯尼亚、黎巴嫩、马其顿、斯里兰卡、斯威士兰、津巴布韦

文莱达鲁萨兰国

公众接受

什么在技术上是可行的与什么在伦理上是适当的,这是一个激烈辩论的问题。在发展中国家,纳米医学产生了与转基因食品类似的伦理问题。当人们迫切 需要食品或药物的时候,它从哪里来重要吗?文盲或没有受过良好教育的人群能充分参与到关于这些新技术对社会的影响的辩论中来吗?[1]纳米技术不可见的本 质让它更容易"隐藏"纳米技术产品,让它更容易在患者不知道的情况下侵犯隐私或者执行需要得到知情同意的过程。这与发展中国家进行的纳米药物临床试验上可 能特别有关。

发展中国家的政府将需要小心地迈步。确保临床试验符合伦理的能力在发展中国家通常很差,而且推广基于纳米技术的卫生产品可能需要它们不具备的专家技能[2]。和其他卫生技术类似,纳米技术并无本质上的好坏。这取决于如何使用它。

在卫生领域,纳米技术的进展与其他技术(包括信息技术和生物技术)的进展结合起来,增加了纳米技术"取代"卫生措施和系统的潜力,针对后者的管 理规定是在许多年中制定出来的。一个例子是开发计算机控制的分子工具,它可能不需要医学从业者的直接干预。或者,测量和储存关于个体医学信息的纳米传感器 可能出现储存、获取和使用这类信息的问题。

即便在发达国家,关于法律、伦理、环境和平等问题的研究仍然滞后于促进卫生的纳米技术的科学进展。纳米技术在发展中国家可能不像在英国或美国那 样先进,但是中国和印度追赶上来只是时间问题。发展中国家不应该等到纳米技术走到它们的家门口的时候而还没有弄清楚它的伦理和社会意义。

该文章是卫生领域的纳米技术专题聚焦的一部分。

References

[1] Court E. et al. Will Prince Charles et al diminish the opportunities of developing countries in nanotechnology? (2004) Accessed 23 October 2010.

[2]The Royal Society and Royal Academy of Engineering Nanoscience and Nanotechnologies: Opportunities and Uncertainties (2004)

[3] Salamanca-Buentello, F. et al. Nanotechnology and the Developing World. PLoS Medicine doi:10.1371/journal.pmed.0020097 (2005)

[4] Maclurcan, D.C. Nanotechnology and Developing Countries Part 1: What Possibilities? Online Journal of Nanotechnology doi:10.2240/azojono0103 (2005)

[5] Mathuria, J.P. Nanoparticles in tuberculosis diagnosis, treatment and prevention: a hope for the future. Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures 4, 309-312 (2009)

[6] Tokumasu, F. et al. Band 3 modifications in Plasmodium falciparum-infected AA and CC erythrocytes assayed by autocorrelation analysis using quantum dots. Journal of Cell Science doi:10.1242/jcs.01662(2005)

[7] Mamo, T. et alEmerging Nanotechnology Approaches for HIV/AIDS Treatment and Prevention.  Nanomedicine 5, 269-285 (2010)

[8]Partha, R. et al. Self assembly of amphiphilic C60 fullerene derivatives into nanoscale supramolecular structures. Journal of Nanobiotechnology doi:10.1186/1477-3155-5-6 (2007)

[9] Milane, L.J. et al. Development of EGFR-Targeted Polymer Blend Nanocarriers for Paclitaxel/Lonidamine Delivery to Treat Multi-Drug Resistance in Human Breast and Ovarian Tumor Cells. Molecular Pharmacology doi: 10.1021/mp1002653 (2010) [Epub ahead of print]

[10] Lee, H., et al. Rapid detection and profiling of cancer cells in fine-needle aspirates. Proceedings of the National Academy of Sciences doi:106(30):12459-64 (2009)

[11] Kam, N.W., et al. Carbon nanotubes as multifunctional biological transporters and near-infrared agents for selective cancer cell destruction. Proceedings of the National Academy of Sciences doi: 102(33):11600-5 (2009)

[12] Prow, T.W. et al. Nanopatch-Targeted Skin Vaccination against West Nile Virus and Chikungunya Virus in Mice. Small 6, 1776-84 (2010)

[13] Huang, M.H. Emulsified nanoparticles containing inactivated influenza virus and CpG oligodeoxynucleotides critically influences the host immune responses in mice. PLoS One doi:10.1371/journal.pone.0012279 (2010)

[14] Maclurcan, D.C. Nanotechnology and Developing Countries Part 1: What Realities? Online Journal of Nanotechnology doi:10.2240/azojono0104 (2005)