纳米生物医学:一个交叉学科新前沿

当物质细微到纳米尺度，其性能会出现巨大的改变。基于纳米材料特殊性能的新技术已经成为世界各国高技术发展的前沿和热点。

合成纳米生物学——合成生物学与纳米生物学的交叉前沿

近年来,纳米材料因独特的粒径效应、比表面积大、表面易修饰等优点被广泛应用于生物学研究领域。作为生物学中的重要新兴学科,合成生物学与纳米生物学的交叉研究是科学发展的必然结果,推动产生了一个全新的研究领域——合成纳米生物学:一方面,利用合成生物学的技术获取具有特殊生物功能的生物源纳米材料,形成以生物技术驱动的纳米材料合成理论;另一方面,利用纳米材料对生物体进行功能强化或者生命活动模拟,拓展合成生物学的工程化设计构建理念。本文根据本领域的最新进展,将合成纳米生物学分为基于基因工程化改造生物源纳米材料的“仿生命体”研究、基于纳米材料功能强化的杂合生物系统的“半生命体”研究和基于纳米材料模拟生命活动的“类生命体”研究三个细分领域。在此基础上,重点介绍了仿生细胞膜纳米颗粒、外泌体、细菌外膜囊泡、病毒样颗粒和细菌生物被膜等生物源纳米材料的改造及功能研究,以及纳米人工杂合细菌和细胞、人工光合系统的构建与应用。同时也介绍了纳米材料元件组装的纳米类酶、人工抗原递呈细胞、运动纳米机器人、DNA纳米机器人等仿生人工合成生物的最新研究进展。最后展望了纳米技术与合成生物学交叉领域的发展前景,分析了合成纳米生物学在肿瘤治疗、环境修复、能源工程等方面的应用潜力;剖析了当前“活细胞疗法”的优势与临床转化的局限性;对智能化药物输运平台的未来发展空间进行了展望。

纳米尺度分子内荧光淬灭效应的研究

本实验将自聚发光分子四苯基乙烯(TPE)和聚集淬灭分子阿霉素(DOX)连接为荧光分子复合物(TPEDOX conjugate,TD),并通过荧光光谱分析和扫描电镜观察结合的方法,对TD纳米聚集体中TPE和DOX的荧光淬灭机制进行了研究。实验发现,在TD分子内,TPE和DOX之间发生了"能量传递接力"的现象,即TPE通过荧光能量共振转移将能量传递给DOX,导致自身荧光发射淬灭;DOX由于TD纳米聚集体的形成,发生了聚集淬灭现象,致使TPE转移的能量和DOX自身的荧光发射均被淬灭,达到一个荧光双淬灭的效果。研究中采用荧光分析与电镜观察结合的方法,阐述了将两种具有相反发光性质的荧光分子在纳米尺度的荧光淬灭机理,为纳米尺度上的分子内荧光淬灭研究提供了理论依据。

基于DNA与上转换纳米颗粒相结合的生物传感与成像研究进展

脱氧核糖核酸(DNA)的分子识别特性与功能使其在生物传感与成像领域得到了广泛应用.另一方面,得益于自身独特的光学性质,镧系元素掺杂的上转换纳米颗粒在生物医学应用中备受关注.特别地,二者的有机结合可产生新的性质与功能,在生物传感与成像领域展现出优势,推动了该领域的发展.本文综合评述了基于DNA与上转换纳米颗粒相结合的生物传感与成像技术的研究进展,重点聚焦于相关方法的分类与设计原理,简要概述了相关的应用研究,并对该领域目前存在的挑战与未来的发展前景进行了讨论.

基于大科学装置的纳米材料与生物分子相互作用的分析

纳米材料与生物分子的相互作用直接影响着纳米材料的体内行为、状态与生物学效应,建立和发展可靠的分析方法以表征两者的相互作用非常必要.本文围绕纳米材料与蛋白质、脂类等重要生物分子作用过程的科学问题如作用分子类型的鉴定与相对丰度的测量、作用方式与界面结构,重点介绍基于同步辐射与散裂中子源等大科学装置的前沿分析方法在相关领域的应用,概述了相关分析方法的优势与先进性,为纳米生物效应研究、纳米医学应用的研究等提供了重要分析手段.最后,展望了新一代光源助力于纳米材料与生物分子作用研究的前景.

基于介孔二氧化硅的多功能纳米药物输送体系研究进展

介孔二氧化硅因具有有序介孔结构、比表面积大、生物相容性好及表面易于修饰等特点,在生物医药等领域显示出了极大的应用前景,目前,基于介孔二氧化硅的纳米药物输送体系已成为众多科研工作者研究的热点.本文讨论了靶向修饰及成像等多功能化的介孔二氧化硅药物输送体系的研究进展,同时详细介绍了一系列具有特定形态结构(如中空/摇铃状、纳米管等)的介孔二氧化硅基载药体系的制备、表面修饰及其在药物输送、释放等领域的应用研究.最后,对目前介孔二氧化硅基药物输送体系(主要包括具有特定形态结构的介孔二氧化硅药物载体、多功能复合药物载体及可生物降解的介孔二氧化硅药物输送体系等)在实际应用中存在的问题进行了分析并对其未来的发展前景进行了展望.

纳米生物效应与安全性研究展望

当物质达到纳米尺度时,会具有一些特殊的物理化学性质,如量子尺寸效应、表面效应以及宏观量子隧道效应等.即使化学组成相同,纳米物质的生物学效应也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生物学效应与安全性评价结果,可能并不适用于纳米物质.自2003年Science发表文章关注纳米生物效应与毒理学效应之后,各国政府先后启动了对纳米生物效应的研究,并且支持力度不断增加.我国是世界上较早开展纳米生物效应与安全性研究的国家之一,研究工作在国际上产生了重要影响.国家纳米科学中心与中国科学院高能物理研究所共同建立的"中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室",作为我国第一个也是国际上少有的以纳米材料生物效应与安全性为研究方向的专业实验室,在了解纳米材料的基本性质-活性关系的基础上,对更深层次的理化效应展开了深入的研究,并建立了适用于纳米生物效应与安全性评价的多层次模型,发展了高灵敏、高分辨率的适用于纳米生物效应和安全性评价的实验技术和研究方法,为保证纳米科技的可持续发展做出了重要的贡献.本文综述了本实验室近年来在纳米生物效应与安全性领域的研究进展.

纳米技术在造纸工业中的应用

近年来纳米材料在造纸中的优势越来越显著．对其应用研究也越来越热。由纳米粒子改性的纸张逐渐在市场中崭露头角．纳米纸与普通纸在外观上并没有什么区别．但是在性能上却有很大的不同。造纸工业中应用的纳米材料主要有：纳米纤维素、无机纳米粒子（如纳米SiO2、TiO2、CaCO2、Ag等）以及有机胶乳纳米粒子等。

低剂量纳米银暴露致小鼠巨噬细胞RAW264.7的应激反应

目的探讨纳米银(AgNPs)对小鼠巨噬细胞RAW264.7毒性效应的影响,为AgNPs生物安全性的研究提供依据。方法将不同浓度的AgNPs(0、6.25、12.5、25、50、60、80μg/ml)和RAW264.7共同培养,8、24 h后采用甲基噻唑基四唑比色法(MTT)测定各组细胞的活力,选取2.5、5μg/ml两个无明显细胞毒性的浓度进行后续研究,检测应激相关基因和蛋白表达的变化;采用酶联免疫吸附试验(ELISA)检测细胞培养液中炎症因子TNF-α和IL-6的表达。结果用2.5、5μg/ml的AgNPs处理细胞,24 h后相差显微镜下可见Ag NPs进入细胞内,且5μg/ml组的细胞形态有明显改变;8、24 h后ELISA结果显示,IL-6无明显变化,在5μg/ml的24 h处理组TNF-α表达有显著升高,内质网应激相关的基因和蛋白在5μg/ml的24 h处理组表达明显上调。结论 RAW264.7细胞暴露于低剂量的AgNPs后表现出明显的应激反应,并且与暴露剂量和作用时间呈正相关。低剂量AgNPs能够干扰细胞的正常生理功能,长期暴露可能产生不可逆的损伤,应引起高度关注。

基于金纳米结构材料的肿瘤诊疗一体化研究进展

由于表面等离子体共振效应,金纳米材料显示出独特的尺寸和形状依赖的光学和光热性质,在肿瘤诊断成像、光热治疗、药物输运方面具有广阔的应用前景。利用金纳米材料本身的光学性质,可进行暗场成像和光学相干断层扫描及双光子成像等。金纳米材料还可以作为载体,载带各种荧光分子和药物,实现成像、化疗、光动力治疗等多种功能。通过近红外激光激发,金纳米材料的光子-电子和电子-电子之间相互作用产生热量,可以用于肿瘤的光热治疗、促进药物的释放以及光声造影。基于金纳米材料的热疗和化疗联用也被证明有助于提高肿瘤的治疗效果。可见,金纳米材料能将多种功能整合到一个体系中,实现肿瘤诊疗的一体化,为发展按需给药和个性化药物提供了新思路。本文介绍了几种典型的金纳米颗粒,包括金纳米壳、金纳米棒、中空金纳米球、金纳米笼和金纳米星,用于肿瘤诊疗一体化方面的研究进展,并讨论了存在的主要问题。

纳米材料-蛋白质界面相互作用的分子机制

纳米材料由于其优异的性能在化工、电子、机械、环境、能源、航天等各个领域已经得到了广泛的应用,并且在生物医学方面的应用越来越受到重视。纳米材料-蛋白质界面相互作用是纳米生物医学领域重要的科学问题,对于纳米材料的生物医学应用以及生物安全性评价至关重要。蛋白质分子与纳米材料在界面的相互作用,一方面可以诱导蛋白质的构象、组装结构甚至功能的改变,另一方面可以引起纳米材料的表面亲疏水性、电荷性质等表面物理化学性质的改变。基于蛋白质与纳米材料相互作用检测技术及结果,本文从分子水平阐述了纳米材料与蛋白质分子在界面之间的相互作用机理及相应的结构与性质的变化,从而可以深化对两者之间复杂的相互作用机制的理解,对于推进纳米材料在生物医学的应用及健康、安全、持续发展具有重要意义。

聚乙二醇稳定的单分散超小金纳米颗粒的制备与表征

本实验采用制备金纳米颗粒的Schiffrin-Brust经典方法的思路,利用不同分子量的巯基化聚乙二醇作为稳定剂,硼氢化钠作为还原剂,在水相溶液中探索制备了超小尺寸金纳米颗粒。通过透射电镜观察和粒径统计分析可知制备得到的金纳米颗粒尺寸均一,单分散性良好。该制备方法简单,得到的超小金纳米颗粒稳定性良好,为生物医药领域的相关研究及应用提供了新的材料和模型。

金纳米棒的表面修饰及其应用于肿瘤诊疗的研究进展

金纳米棒具有独特的光学性质、表面易修饰性、较低的生物毒性和良好的生物相容性,因而在成像、光热治疗和药物载带等方面具有极高的潜在应用价值.本文综述了典型的金纳米棒表面修饰方法及其在生物成像、光热治疗和药物治疗中的应用,重点阐述了通过金纳米棒同时实现肿瘤诊断和治疗相结合的研究进展.

不同尺寸金纳米颗粒在小鼠胚胎干细胞胚状体中富集和分布的研究

随着金纳米材料相关生物医学应用的不断深入,其生物学效应研究备受关注。金纳米材料对胚胎发育的影响,是其生物学效应的重要研究内容。本研究中制备了2 nm、15 nm、50 nm三种具有统一表面修饰的金纳米颗粒,利用透射电子显微镜和电感耦合等离子体质谱仪等多种方法,定性、定量地观察不同尺寸的金纳米颗粒在小鼠胚胎干细胞胚状体中的分布和富集情况。结果显示,2 nm、15 nm、50 nm三种金颗粒的富集情况分别为(38.02±2.01)ng/105cells、(34.27±3.42)ng/105cells以及(1 435.97±65.33)ng/105cells,而且在细胞内的分布区域不尽相同。说明金纳米颗粒在小鼠胚胎干细胞胚状体中的累积量与其尺寸相关,不同尺寸的金颗粒显示出不同的胞内分布。这一发现将有助于进一步阐明金纳米颗粒的尺寸效应对胚胎干细胞分化、发育过程的影响。

基于靶向调控肿瘤微环境的多肽纳米药物系统研究进展

肿瘤微环境在肿瘤的发生、发展和转移过程中起着至关重要的作用,因此靶向调控微环境为发展肿瘤精准治疗的新策略提供了机遇。纳米技术的快速发展为传统药物的增效减毒提供了契机,已有一系列纳米药物用于肿瘤临床治疗。近年来,分子自组装领域的快速发展为智能纳米药物的研发提供了新机遇。多肽作为生物相容性高、序列可设计、易修饰、功能多样化的生物分子,可组装构建结构多样和功能集成的纳米药物系统。本文综述了利用多肽自组装超分子体系实现药物对肿瘤微环境的响应释放和高效递送,并对其通过调控微环境中的血管、成纤维细胞和胞外基质等组分,改变肿瘤赖以生存的"土壤",并与抗肿瘤细胞治疗有机结合的最新进展进行了介绍。针对肿瘤异质性和复杂性的难题,构建表/界面性质可控的纳米药物系统,发展基于肿瘤微环境调控与联合治疗的肿瘤综合治疗方案,将是未来重要的发展方向之一。

多肽类自组装纳米材料对抗细菌耐药的研究进展

细菌感染,尤其是耐药性细菌感染,是人类健康的巨大威胁之一。多肽类药物具有生物相容性较好、不易引起细菌产生耐药等特点,在耐药细菌感染的治疗中起着重要的作用。其中,由多肽自组装纳米材料制备的仿生纳米结构在抗耐药菌感染方面展现出独特的优势。多肽自组装纳米材料能够规避与细菌耐药性相关的机制,其作用靶点通常是在细菌不易引起耐药的细胞膜上,目前已被用于耐药性细菌感染的治疗中。除此之外,多肽自组装纳米材料独特的粒径和生物学特性使它们能够作用于细菌生物被膜,治疗顽固性细菌感染。因此,利用不同组分的作用特点构建多肽自组装纳米材料来应对耐药菌感染具有重要意义。本文总结了多肽的二级结构和由多肽自组装形成的纳米结构;详细介绍了多肽自组装纳米材料抗耐药菌的策略;最后,阐述了多肽自组装纳米材料作为抗菌剂在临床应用的前景和仍存在的挑战,希望为它们的进一步应用提供参考。

调控肿瘤血管微环境的智能纳米药物研究进展

肿瘤的生长和转移高度依赖于肿瘤血管,肿瘤血管微环境是肿瘤微环境的重要组成部分。以血管栓塞、血管生成抑制和血管结构破坏为主的肿瘤血管阻断疗法是肿瘤治疗中非常有吸引力的治疗策略。然而,临床数据显示,上述药物由于具有选择性低、耐药性、潜在不良反应等固有缺点,应用受到限制。近年来,纳米技术的发展为克服以上困难带来了希望。另外,肿瘤血管不仅是肿瘤营养物质和氧气的来源,也是药物输送的通道,诱导肿瘤血管正常化或调节肿瘤血管通透性已成为增加药物输送以提高疗效的重要手段。从靶向阻断肿瘤血管血供和肿瘤血管特性调控两个方面综述了血管微环境调控纳米药物的研究进展,总结了纳米药物靶向肿瘤血管的优势,并对未来调控血管微环境的智能纳米药物发展方向提出了展望。

纳米生物材料标准化检测和评价的现状与展望

近年来,纳米生物材料被广泛应用于药物靶向递送、医学成像、组织工程、生物传感、化妆品等生物医学领域.纳米材料的特殊性质使其在提高材料性能的同时也带来潜在的生物安全性风险.目前,我国的纳米科技水平已处于世界前沿,然而纳米技术的转化仍旧是短板.纳米生物材料要实现生物医药产品的转化应用,围绕“质量控制”和“安全性评估”两个主要方面,尚有很多关键问题急需解决.本文将综述纳米生物材料及其产品的理化性质表征和生物安全性评价的标准化现状、存在的问题及发展趋势等,为纳米生物材料的转化应用提供参考.

精准设计的纳米机器药物及其抗肿瘤应用

纳米医药是当今生物和医学研究最具创新活力的领域之一,尤其是在恶性肿瘤等复杂难治疾病的治疗中展现出广阔的应用前景.随着纳米生物技术近年来的快速发展,能够在活体环境执行精密、复杂操作的纳米生物机器受到高度关注.本文总结了我们团队在抗肿瘤纳米机器药物方面的科研工作,从精准设计、体内操控和创新性治疗等方面,系统性介绍了基于核酸、多肽、膜结构等生物模块的纳米机器药物设计策略,讨论了不同类型纳米机器药物在肿瘤治疗中的优势,并结合当前肿瘤临床治疗的重点发展方向,讨论了纳米机器药物对治疗范式创新的潜在推动作用.

打印机使用过程中颗粒物等有害因素释放及其毒理学效应研究进展

打印机的应用日趋广泛,其释放的颗粒物质尤其是纳米颗粒引起人们的高度关注。现有研究已经证明纳米级颗粒物更容易进入呼吸系统,穿越气血屏障,随之引起机体的氧化损伤、炎症反应和遗传毒性等。打印机释放颗粒的暴露水平评价及其毒理学效应识别是评估打印机健康风险的基础。本文综述了打印机工作场所颗粒暴露水平的监测结果、实验室模拟研究进展、人体采样评价、流行病学调查、体外细胞或整体动物水平毒理学效应评价方法及结果,并提出了打印机危害评估过程的标准化方案建议,以利于不同研究间的比较和总结。