纳米医药与纳米生物学前沿（综述）

来源：科学新闻 2007-06-12

——香山科学会议第293次学术讨论会综述

为了进一步探索纳米科学技术与生物学和医学的结合，使科学家们在纳米生物学和纳米 医学刚刚起步时就能找到好的切入点，香山科学会议于日前召开了主题为“纳米医药和纳米生物学前沿”的第293次学术讨论会。会议由科技部基础司张先恩研究员、中国科学院白春礼研究员、JohnsHopkinsUniversity的魏启明教授和东南大学顾宁教授担任执行主席，有关高校、研究所、医院等30多个单位的40多位中外专家参加了此次研讨会。

张先恩研究员作了题为《纳米生物机器》的主题评述报告。他以ATP酶分子马 达、核糖体合成蛋白质时的运动和细菌鞭毛的运动为例，向与会者展示了自然界生物机器的精妙，提出生物纳米机器的一系列特点，包括：有机组成、自组、自指导、化学耗能、高精度、高效率、柔性等。研究生物纳米机器有三个意义：探索生物体奥秘，开发生物纳米机器和推进仿生学。然而，任何一种生物纳米机器的研制 都需要有长期的思想准备，更需要理论、材料、物理、化学、电子、生物、医药、临床医学等各领域的科学家协作。他还就Nanomedicine的翻译提出建 议，他认为应该翻译成“纳米医学”，而不是“纳米医药”。中科院力学所靳刚研究员在发言中讨论了分子组在实用化生物技术中的功能和作用，以及达到改善技术性能和技术提升的作用。有效的分子组技术不仅可以用来构建纳米生物机器，而且能够达到提升传统生物技术性能的作用，使之获得应用。

魏 启明教授作了题为《纳米医学新技术与临床应用》的主题评述报告，介绍了国际上，特别是美国在纳米生物医学研究方面的新进展，主要分以下几个方面，细胞和分子水平的基础纳米医学，临床的治疗纳米医学，细胞、组织、器官水平的诊断纳米医学，细胞和动物水平的实验纳米医学，工程纳米医学，纳米毒性和安全性的环境 纳米医学，基因检测和基因传递的基因纳米医学，纳米医学中的肿瘤学早期诊断和治疗，药物输送的药物纳米医学，纳米医学的商品化和政策等方面。由于美国成立了由8个大学组成的纳米医学研发中心合作网络，充分发挥了现有研究机构各自的研究基础和研究设施优势，推动了纳米医学的发展。美国还成立了纳米医学科学院，并创办了纳米医学杂志（theJournalofNanomedicine）以推动纳米医学快速而稳定的发展。

会议围绕纳米医学前沿及关键问题、纳米药物及其药理学、生物传感与医学示踪、纳米技术的生物效应及安全性四个中心议题展开交流与讨论。

纳米医学前沿及关键问题
纳 米医学涉及基础的纳米技术、分子生物学、临床医学等很多领域，目前对疾病诊断、预防和治疗的实际需求对于纳米技术提出了要求，纳米技术经过十几年的发展已经有了很好的基础，对获得更先进的药物传输系统和早期检测与诊断技术至关重要，而纳米技术能否在生物医学领域发挥更大的作用，需要来自生物学和临床医学领 域的具体目标的牵引，以及各领域的深入合作，从而互相促进。

关于“纳米医学发展的NIH路线图”的报告介绍说，NIH路线图的目标是在活体和纳米尺度控制和操纵生物学，可以分为以下三步：定量地表征细胞中的纳米机器和生物分子的物理和化学性质；理解活体细胞的工程原理来创造分子、细胞和组织等；利用这种性质和设计原理开发新的技术、器件和复合结构，从而进行组织修 复，疾病的控制和治疗。美国针对威胁人类健康的肿瘤疾病成立了肿瘤研究的纳米技术联盟，其纳米技术表征实验室作为一个平台对联盟的成员开放，针对肿瘤的早期诊断、实时有效评估、多渠道治疗方法、分子改变监测、症候管理和靶向治疗等方面展开合作研究。

纳米技术对医学发展具有重要的推动作用，疾病诊断、预防和治疗的实际需求对纳米技术提出了获得更先进的药物传输系统和早期检测与诊断技术的期望，如早期诊断和预警、代谢产物中的生物标志物的发现、及其微量或痕迹量或瞬间的样品量的检测技术，适于大量或批量的实用检测技术平台，载体的效率和容量，靶向、缓 释、可控的药物载体，药靶确证和药物筛选，甚至是突变或个体化差异的检测、诊治等。利用DNA分子的自组特性，可以获得新型的纳米结构材料，用于发展全 新的生物检测技术，实现基因治疗的关键因素之一是发展安全有效的基因运载系统，利用纳米技术发展新型医学传感器，利用纳米技术发展新型活细胞检测技术。另外纳米技术对再生医学的发展具有重要影响和推动作用，纳米技术为模仿和构建天然组织里不同种类的细胞外基质提供了全新的视角和方法，纳米技术将有助于探索 和确定成体干细胞中的信号系统，以激发成体干细胞中巨大的自我修复潜能，纳米技术在医学科学中的应用，如单分子、单细胞体内成像应用、单一癌症细胞检测、药物释放直观技术等。

纳米技术在传染病防治中也有广阔的应用，我国是乙肝大国，平均有8%乙肝病人或携带者，在偏远农村远远高于这个比例。进展期肝病病人在中国的死亡率比较高，在大城市有60％的死亡率，在小的城市死亡率更是高达80％。虽然乙肝疫苗在乙肝病毒的传染方面发挥了很大的 作用，但是研究表明乙肝病毒的变异也是非常高的，而且目前一些治疗乙肝的药物的抗药性在我国已经显现出来，所以在中国开展乙肝病的纳米医药研究尤其重要，探测活体细胞的功能，在分子的水平上认识和理解病变机理，做到早期诊断，实现早期治疗。

纳米药物及其药理学

目前国内外已开发并上市了许多纳米药物制剂，以提高原制剂的口服生物利用度、降低药物不良反应和提高治疗指数等，但是国际和国内纳米技术标准化却还没有建立，所以在纳米医药开发的过程中不可避免会受到制约和影响。所以，对于纳米药物学及其药理学研究的基础科学问题和近、中、长期的目标设定非常重要。

例如，肿瘤生长机制及阿霉素胶束自组分子的抗肿瘤活性研究。肿瘤的微环境对其生长及对药物输运有着巨大影响，肿瘤组织内部静液压高、低氧、低PH值等微 环境使得药物分子只能聚集在血管细胞周围，不能达到肿瘤细胞，影响了药物的使用效果。PEG－PE包裹阿霉素形成的胶束自组分子在治疗肿瘤方面有着很好 的效果，使用后肿瘤尺寸明显减小。

“用于肿瘤诊断与治疗的纳米医药的材料发展潜力”的研究指出，纳米生物技术在肿瘤的早期诊断和治疗中可以发挥很大作用。研究结果表明，抗体修饰的脂质体纳米复合载药体系不仅可以对肿瘤进行靶向治疗，结合纳米粒子修饰的纳米复合给药体系还可以对转移的肿瘤细胞进行诊断和靶向治疗，而且纳米胶囊的尺寸适中 （50-200nm）时效果最好。“脂质分子自组系统及其作为药物载体的应用”的研究认为，脂质分子作为生物体组成的主要成分具有无可比拟的生物相容 性，自组形成的纳米结构无论从均一性、稳定性，以及重复性方面，都有很大的优势，而且小肽修饰的脂质体对肿瘤有一定的靶向作用。

在这一议题中，专家们就目前纳米医药中其安全性评价和标准研究方法的问题进行了热烈的讨论。一致认为目前纳米医药研究应该规范化，推行“力量集成、资源整 合和有限目标”的策略。纳米药物学近期或近中期目标可以是通过药物的直接纳米化或纳米载药系统(NanoDDS)，研制一批旨在提高生物利用度、延长药物 作用时间、降低药物不良反应，或提高制剂顺应性等的纳米药物制剂。在纳米效应研究基础上，针对我国重大疾病(如肿瘤、心血管疾病、肝炎、艾滋病、神经退行 性疾病等)，通过汲取这些疾病的病理学、生理学研究成果，研究和开发一批创新纳米药物制剂，并阐明与此相关联的深层次科学问题，包括纳米药物的长循环机理、纳米粒肿瘤药物的EPR效应机理、纳米药物对微循环影响机理、基因非病毒纳米载体的组、转染机理、纳米智能载药系统的传感技术与药物控制释放技术的整合等。

生物传感与医学示踪

恶性肿瘤和心血管疾病等重大疾病严重威胁人类的健康，是当前医学研究领域所面 临的一个重大挑战。我国自上世纪70年代以来，恶性肿瘤和急性冠状动脉综合症的发病率和死亡率一直呈上升趋势，已经成为危及人群健康及带来巨大经济负担的社会问题。目前癌症病人和心血管病人死亡率居高不下的一个最主要原因，是现有技术还很难实现真正的疾病早期检测，所以生物传感和医学示踪技术至关重要，特 别是纳米生物传感技术和纳米材料在分子影像技术中的应用等是当前的研究热点。

“生物医学用磁性纳米材料及器件”的中心议题报告中介绍了生物医学用磁性纳米材料及器件在生物学与生物技术、医学以及药学等方面的应用及发展；同时，也提出了在这个发展过程中存在的一些急需研究的问题：(1)还有哪些新奇的性质可以应用？对不同分子探针的组、联合及效能等；（2）磁性纳米材料究竟是在什 么水平，如究竟是在细胞层次还是在组织层次上，对生物产生综合影响；（3）影像对磁性纳米材料对比剂尺寸和其他性质的依赖程度；（4）磁性纳米材料在生物体内的分散及循环问题；（5）磁性纳米材料的生物安全性、生物相容性等。

《生物微纳传感技术》的报告，对建立在纳米材料的生物相容性、磁性、催化性能等特性基础上的新型传感技术进行了综述和探讨，如纳米单通道技术利用随机传感形成的电流脉冲信号来实现DNA测序、单核苷多态性、特异序列DNA等的识别分析。此外，纳米阵列通道技术、纳米阵列电极、纳米微流控通道、纳米间隙等技术对基因识别、蛋白质的结构及修饰特征、药物作用靶标的发现与确证、药物筛选等方面的研究有着广阔的应用前景。

纳米技术的生物效应及安全性



“纳 米生物环境健康效应与纳米安全性”的研究发现，由于小尺寸效应、量子效应和巨大比表面积等，纳米材料具有特殊的物理化学性质，在进入生命体和环境以后，它们与生命体相互作用所产生的化学特性和生物活性与化学成分相同的常规物质有很大不同。一方面要充分评价其安全性问题，比如对人类健康以及生态环境等造成不 利影响。另一方面，对纳米颗粒与生命过程的相互作用过程的研究，发现纳米颗粒对生命过程的调控功能和正面的影响，也是纳米医学发展高效诊断和治疗的关键。与会专家一致认为对于纳米技术安全性的评价是为了保障纳米技术在纳米医学和纳米生物学方面的更好的应用，更好地将纳米技术应用到现实生活中去。

“纳米材料安全评价的研究战略和碳纳米管的生物分布”的专题报告，对目前国际上纳米材料安全评价的研究进行了综述，指出纳米安全性的研究并不是要阻碍纳米科技的发展，而是为纳米技术的快速高效发展铺平道路。

（中国科学院香山科学会议办公室韩存志、杨炳忻整理）

专家建议：

1.纳米生物学和纳米医学，为重大疾病的早期诊断和治疗开辟了新的方向和途径。

2.鉴于国际上纳米生物和纳米医学的发展势头，建议将“纳米生物医药技术”研究列入国家和社会可持续发展的战略地位加以考虑，针对我国高发高危的重大疾病开展研究。

3.结合我国国情和现状，基于纳米药物制剂技术针对现有药物缺陷，进行二次开发，有可能实现突破国外的专利包围圈。

4.就我们具有自主知识产权的抗体、多肽、药物、纳米材料、纳米器件等进行深入研究，特别是活体状态下单分子检测和机理研究。

5.在纳米生物与纳米医学的研究领域，应该规范名词术语，规范研究手段和方法。

6.在纳米医药研究中，应该以最终推向市场为最终目标。

7.对于纳米技术安全性的评价是为了保障纳米技术在纳米医学和纳米生物学方面的更好的应用。

8.在国内成立纳米医学的联盟和研究平台，来引导和规范有关研究。

9.成立中美的纳米医学与纳米生物学协会，促进双方的交流合作。

纳米医药与纳米生物学前沿（综述）

来源：科学新闻 2007-06-12

——香山科学会议第293次学术讨论会综述

为了进一步探索纳米科学技术与生物学和医学的结合，使科学家们在纳米生物学和纳米 医学刚刚起步时就能找到好的切入点，香山科学会议于日前召开了主题为“纳米医药和纳米生物学前沿”的第293次学术讨论会。会议由科技部基础司张先恩研究员、中国科学院白春礼研究员、JohnsHopkinsUniversity的魏启明教授和东南大学顾宁教授担任执行主席，有关高校、研究所、医院等30多个单位的40多位中外专家参加了此次研讨会。

张先恩研究员作了题为《纳米生物机器》的主题评述报告。他以ATP酶分子马 达、核糖体合成蛋白质时的运动和细菌鞭毛的运动为例，向与会者展示了自然界生物机器的精妙，提出生物纳米机器的一系列特点，包括：有机组成、自组、自指导、化学耗能、高精度、高效率、柔性等。研究生物纳米机器有三个意义：探索生物体奥秘，开发生物纳米机器和推进仿生学。然而，任何一种生物纳米机器的研制 都需要有长期的思想准备，更需要理论、材料、物理、化学、电子、生物、医药、临床医学等各领域的科学家协作。他还就Nanomedicine的翻译提出建 议，他认为应该翻译成“纳米医学”，而不是“纳米医药”。中科院力学所靳刚研究员在发言中讨论了分子组在实用化生物技术中的功能和作用，以及达到改善技术性能和技术提升的作用。有效的分子组技术不仅可以用来构建纳米生物机器，而且能够达到提升传统生物技术性能的作用，使之获得应用。

魏 启明教授作了题为《纳米医学新技术与临床应用》的主题评述报告，介绍了国际上，特别是美国在纳米生物医学研究方面的新进展，主要分以下几个方面，细胞和分子水平的基础纳米医学，临床的治疗纳米医学，细胞、组织、器官水平的诊断纳米医学，细胞和动物水平的实验纳米医学，工程纳米医学，纳米毒性和安全性的环境 纳米医学，基因检测和基因传递的基因纳米医学，纳米医学中的肿瘤学早期诊断和治疗，药物输送的药物纳米医学，纳米医学的商品化和政策等方面。由于美国成立了由8个大学组成的纳米医学研发中心合作网络，充分发挥了现有研究机构各自的研究基础和研究设施优势，推动了纳米医学的发展。美国还成立了纳米医学科学院，并创办了纳米医学杂志（theJournalofNanomedicine）以推动纳米医学快速而稳定的发展。

会议围绕纳米医学前沿及关键问题、纳米药物及其药理学、生物传感与医学示踪、纳米技术的生物效应及安全性四个中心议题展开交流与讨论。

纳米医学前沿及关键问题
纳 米医学涉及基础的纳米技术、分子生物学、临床医学等很多领域，目前对疾病诊断、预防和治疗的实际需求对于纳米技术提出了要求，纳米技术经过十几年的发展已经有了很好的基础，对获得更先进的药物传输系统和早期检测与诊断技术至关重要，而纳米技术能否在生物医学领域发挥更大的作用，需要来自生物学和临床医学领 域的具体目标的牵引，以及各领域的深入合作，从而互相促进。

关于“纳米医学发展的NIH路线图”的报告介绍说，NIH路线图的目标是在活体和纳米尺度控制和操纵生物学，可以分为以下三步：定量地表征细胞中的纳米机器和生物分子的物理和化学性质；理解活体细胞的工程原理来创造分子、细胞和组织等；利用这种性质和设计原理开发新的技术、器件和复合结构，从而进行组织修 复，疾病的控制和治疗。美国针对威胁人类健康的肿瘤疾病成立了肿瘤研究的纳米技术联盟，其纳米技术表征实验室作为一个平台对联盟的成员开放，针对肿瘤的早期诊断、实时有效评估、多渠道治疗方法、分子改变监测、症候管理和靶向治疗等方面展开合作研究。

纳米技术对医学发展具有重要的推动作用，疾病诊断、预防和治疗的实际需求对纳米技术提出了获得更先进的药物传输系统和早期检测与诊断技术的期望，如早期诊断和预警、代谢产物中的生物标志物的发现、及其微量或痕迹量或瞬间的样品量的检测技术，适于大量或批量的实用检测技术平台，载体的效率和容量，靶向、缓 释、可控的药物载体，药靶确证和药物筛选，甚至是突变或个体化差异的检测、诊治等。利用DNA分子的自组特性，可以获得新型的纳米结构材料，用于发展全 新的生物检测技术，实现基因治疗的关键因素之一是发展安全有效的基因运载系统，利用纳米技术发展新型医学传感器，利用纳米技术发展新型活细胞检测技术。另外纳米技术对再生医学的发展具有重要影响和推动作用，纳米技术为模仿和构建天然组织里不同种类的细胞外基质提供了全新的视角和方法，纳米技术将有助于探索 和确定成体干细胞中的信号系统，以激发成体干细胞中巨大的自我修复潜能，纳米技术在医学科学中的应用，如单分子、单细胞体内成像应用、单一癌症细胞检测、药物释放直观技术等。

纳米技术在传染病防治中也有广阔的应用，我国是乙肝大国，平均有8%乙肝病人或携带者，在偏远农村远远高于这个比例。进展期肝病病人在中国的死亡率比较高，在大城市有60％的死亡率，在小的城市死亡率更是高达80％。虽然乙肝疫苗在乙肝病毒的传染方面发挥了很大的 作用，但是研究表明乙肝病毒的变异也是非常高的，而且目前一些治疗乙肝的药物的抗药性在我国已经显现出来，所以在中国开展乙肝病的纳米医药研究尤其重要，探测活体细胞的功能，在分子的水平上认识和理解病变机理，做到早期诊断，实现早期治疗。

纳米药物及其药理学

目前国内外已开发并上市了许多纳米药物制剂，以提高原制剂的口服生物利用度、降低药物不良反应和提高治疗指数等，但是国际和国内纳米技术标准化却还没有建立，所以在纳米医药开发的过程中不可避免会受到制约和影响。所以，对于纳米药物学及其药理学研究的基础科学问题和近、中、长期的目标设定非常重要。

例如，肿瘤生长机制及阿霉素胶束自组分子的抗肿瘤活性研究。肿瘤的微环境对其生长及对药物输运有着巨大影响，肿瘤组织内部静液压高、低氧、低PH值等微 环境使得药物分子只能聚集在血管细胞周围，不能达到肿瘤细胞，影响了药物的使用效果。PEG－PE包裹阿霉素形成的胶束自组分子在治疗肿瘤方面有着很好 的效果，使用后肿瘤尺寸明显减小。

“用于肿瘤诊断与治疗的纳米医药的材料发展潜力”的研究指出，纳米生物技术在肿瘤的早期诊断和治疗中可以发挥很大作用。研究结果表明，抗体修饰的脂质体纳米复合载药体系不仅可以对肿瘤进行靶向治疗，结合纳米粒子修饰的纳米复合给药体系还可以对转移的肿瘤细胞进行诊断和靶向治疗，而且纳米胶囊的尺寸适中 （50-200nm）时效果最好。“脂质分子自组系统及其作为药物载体的应用”的研究认为，脂质分子作为生物体组成的主要成分具有无可比拟的生物相容 性，自组形成的纳米结构无论从均一性、稳定性，以及重复性方面，都有很大的优势，而且小肽修饰的脂质体对肿瘤有一定的靶向作用。

在这一议题中，专家们就目前纳米医药中其安全性评价和标准研究方法的问题进行了热烈的讨论。一致认为目前纳米医药研究应该规范化，推行“力量集成、资源整 合和有限目标”的策略。纳米药物学近期或近中期目标可以是通过药物的直接纳米化或纳米载药系统(NanoDDS)，研制一批旨在提高生物利用度、延长药物 作用时间、降低药物不良反应，或提高制剂顺应性等的纳米药物制剂。在纳米效应研究基础上，针对我国重大疾病(如肿瘤、心血管疾病、肝炎、艾滋病、神经退行 性疾病等)，通过汲取这些疾病的病理学、生理学研究成果，研究和开发一批创新纳米药物制剂，并阐明与此相关联的深层次科学问题，包括纳米药物的长循环机理、纳米粒肿瘤药物的EPR效应机理、纳米药物对微循环影响机理、基因非病毒纳米载体的组、转染机理、纳米智能载药系统的传感技术与药物控制释放技术的整合等。

生物传感与医学示踪

恶性肿瘤和心血管疾病等重大疾病严重威胁人类的健康，是当前医学研究领域所面 临的一个重大挑战。我国自上世纪70年代以来，恶性肿瘤和急性冠状动脉综合症的发病率和死亡率一直呈上升趋势，已经成为危及人群健康及带来巨大经济负担的社会问题。目前癌症病人和心血管病人死亡率居高不下的一个最主要原因，是现有技术还很难实现真正的疾病早期检测，所以生物传感和医学示踪技术至关重要，特 别是纳米生物传感技术和纳米材料在分子影像技术中的应用等是当前的研究热点。

“生物医学用磁性纳米材料及器件”的中心议题报告中介绍了生物医学用磁性纳米材料及器件在生物学与生物技术、医学以及药学等方面的应用及发展；同时，也提出了在这个发展过程中存在的一些急需研究的问题：(1)还有哪些新奇的性质可以应用？对不同分子探针的组、联合及效能等；（2）磁性纳米材料究竟是在什 么水平，如究竟是在细胞层次还是在组织层次上，对生物产生综合影响；（3）影像对磁性纳米材料对比剂尺寸和其他性质的依赖程度；（4）磁性纳米材料在生物体内的分散及循环问题；（5）磁性纳米材料的生物安全性、生物相容性等。

《生物微纳传感技术》的报告，对建立在纳米材料的生物相容性、磁性、催化性能等特性基础上的新型传感技术进行了综述和探讨，如纳米单通道技术利用随机传感形成的电流脉冲信号来实现DNA测序、单核苷多态性、特异序列DNA等的识别分析。此外，纳米阵列通道技术、纳米阵列电极、纳米微流控通道、纳米间隙等技术对基因识别、蛋白质的结构及修饰特征、药物作用靶标的发现与确证、药物筛选等方面的研究有着广阔的应用前景。

纳米技术的生物效应及安全性



“纳 米生物环境健康效应与纳米安全性”的研究发现，由于小尺寸效应、量子效应和巨大比表面积等，纳米材料具有特殊的物理化学性质，在进入生命体和环境以后，它们与生命体相互作用所产生的化学特性和生物活性与化学成分相同的常规物质有很大不同。一方面要充分评价其安全性问题，比如对人类健康以及生态环境等造成不 利影响。另一方面，对纳米颗粒与生命过程的相互作用过程的研究，发现纳米颗粒对生命过程的调控功能和正面的影响，也是纳米医学发展高效诊断和治疗的关键。与会专家一致认为对于纳米技术安全性的评价是为了保障纳米技术在纳米医学和纳米生物学方面的更好的应用，更好地将纳米技术应用到现实生活中去。

“纳米材料安全评价的研究战略和碳纳米管的生物分布”的专题报告，对目前国际上纳米材料安全评价的研究进行了综述，指出纳米安全性的研究并不是要阻碍纳米科技的发展，而是为纳米技术的快速高效发展铺平道路。

（中国科学院香山科学会议办公室韩存志、杨炳忻整理）

专家建议：

1.纳米生物学和纳米医学，为重大疾病的早期诊断和治疗开辟了新的方向和途径。

2.鉴于国际上纳米生物和纳米医学的发展势头，建议将“纳米生物医药技术”研究列入国家和社会可持续发展的战略地位加以考虑，针对我国高发高危的重大疾病开展研究。

3.结合我国国情和现状，基于纳米药物制剂技术针对现有药物缺陷，进行二次开发，有可能实现突破国外的专利包围圈。

4.就我们具有自主知识产权的抗体、多肽、药物、纳米材料、纳米器件等进行深入研究，特别是活体状态下单分子检测和机理研究。

5.在纳米生物与纳米医学的研究领域，应该规范名词术语，规范研究手段和方法。

6.在纳米医药研究中，应该以最终推向市场为最终目标。

7.对于纳米技术安全性的评价是为了保障纳米技术在纳米医学和纳米生物学方面的更好的应用。

8.在国内成立纳米医学的联盟和研究平台，来引导和规范有关研究。

9.成立中美的纳米医学与纳米生物学协会，促进双方的交流合作。