從躲避到偽裝,仿生納米醫(yī)學(xué)的革命
2016-11-29 來源:環(huán)球科學(xué)
今年36歲的張良方,已經(jīng)有了多重光環(huán):2013年入選《麻省理工科技評(píng)論》評(píng)選的“世界杰出青年創(chuàng)新家”(35 Innovators Under 35);2014年,獲得美國化學(xué)工程師學(xué)會(huì)Allan P. Colburn獎(jiǎng);2015年,當(dāng)選美國生物與醫(yī)學(xué)協(xié)會(huì)Fellow;同年他和著名科學(xué)家錢煦在nature上發(fā)布的一項(xiàng)重要成果引起了全球性關(guān)注:他們開發(fā)納米粒子能夠模擬血小板,準(zhǔn)確地把藥物傳送到身體特定部分,增強(qiáng)藥物療效。
今年9月,美國《大眾科學(xué)》(Popular Science)雜志公布了2016年度“美國十大杰出青年科學(xué)家”(The Brilliant 10 of 2016)榜單,10位入選者中僅有張良方一位華人科學(xué)家。
張良方于2000年本科畢業(yè)于清華大學(xué)化學(xué)工程系,目前是美國加州大學(xué)圣迭戈分校納米工程系及穆爾斯癌癥中心(Moores Cancer Center)的教授。他入選“美國十大杰出青年科學(xué)家”的重要依據(jù)是,他創(chuàng)造性地給納米顆粒“穿”上了細(xì)胞膜,提出了革命性的“仿生納米醫(yī)學(xué)”技術(shù),解決了困擾納米醫(yī)學(xué)界的最大難題之一。
“仿生納米醫(yī)學(xué)”——從“躲貓貓”到“蒙混過關(guān)”的革命
納米醫(yī)學(xué)涉及到納米粒子在方方面面的應(yīng)用,可以用來遞藥,可以吸除體內(nèi)毒素,也可以用來做疫苗等等?梢允褂酶叻肿蛹{米材料,也有脂質(zhì)體的納米材料,有無機(jī)的也有有機(jī)的,但是不管使用哪種材料,只要進(jìn)入人體,就必須同免疫系統(tǒng)打交道。但是每個(gè)人都有自己獨(dú)特的免疫系統(tǒng),侵入體內(nèi)的細(xì)菌、病毒都會(huì)被免疫系統(tǒng)殺死并且清除。而當(dāng)這些納米粒子進(jìn)入體內(nèi)的時(shí)候,也會(huì)遇到相同的困難:納米粒子進(jìn)入體內(nèi)后,免疫細(xì)胞會(huì)把它們當(dāng)成危險(xiǎn)的東西,并非常努力地把它們?nèi)壳宄簟5坏┍磺宄,藥物就完全達(dá)不到效果了。因此,納米醫(yī)學(xué)一個(gè)非常重要的課題,就是要把納米粒子放到人體里面,既不破壞免疫系統(tǒng),又不會(huì)被免疫系統(tǒng)所識(shí)別。
張良方教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種完全不同的方法來解決這個(gè)問題——采用“偽裝”的方法:不是包裹上其他合成材料,偷偷摸摸“躲”過去,而是穿上的敵人的“軍裝”,拿起敵人的“裝備”和“通行證”,偽裝成和敵人一樣以混過檢查!皞窝b”大概有幾種方法,最直接的就是就是把機(jī)體的標(biāo)記分子通過化學(xué)反應(yīng)的方法粘在納米粒子表面,但是生物分子是非常復(fù)雜的,它不是單一的蛋白組成的,需要很多的蛋白相互交叉識(shí)別才能達(dá)到識(shí)別功能,這是非常難模擬的,所以說用合成的方法來做基本上是不可能的;第二種方法就是直接把生物體的細(xì)胞膜取下來套在納米粒子表面,這就是他們所采用的方法。
他們不僅提出了“偽裝”的想法,而且實(shí)現(xiàn)了這樣的功能。以前相應(yīng)納米粒子可能在體內(nèi)待十幾個(gè)小時(shí),并且存在這樣一個(gè)問題:隨著材料使用次數(shù)的增加,免疫系統(tǒng)對(duì)它的識(shí)別就會(huì)越來越快,就像你躲在一個(gè)地方,免疫系統(tǒng)找出規(guī)律了就很容易找到了。但用細(xì)胞膜包裹之后,納米粒子在體內(nèi)的停留時(shí)間就躍升到40個(gè)小時(shí),極大地延長了半衰期,同時(shí)這種細(xì)胞膜包裹的納米粒子還可以重復(fù)使用很多次,也沒有效果越來越差的現(xiàn)象發(fā)生,因?yàn)樗看未┑亩际呛腕w內(nèi)細(xì)胞一模一樣的衣服。這是他們工作最核心的一個(gè)貢獻(xiàn),我們稱之為“仿生納米醫(yī)學(xué)”,開辟了一個(gè)新方向。
而且這個(gè)技術(shù)如果實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,其實(shí)還是很經(jīng)濟(jì)的。為什么呢?第一,用的高分子材料是可以大規(guī)模生產(chǎn)的,成本很低,那么價(jià)格就主要取決于紅血球(我們使用的細(xì)胞膜來自紅血球)。一般醫(yī)院使用每100毫升的血液價(jià)格大概是200多元,但是一袋血液可以造出很多很多的納米顆粒。舉個(gè)直觀的例子,1毫升的血里大概有50億個(gè)紅細(xì)胞,用每一個(gè)紅血球我們都可以造大概3000~4000個(gè)納米顆粒,你可以想一下1毫升血可以造多少的納米顆!蟾攀15~20萬億個(gè)。他們制造的納米顆粒非常小,所以它對(duì)原材料使用的量是非常有限的。

張良方于2000年本科畢業(yè)于清華大學(xué)化學(xué)工程系,目前是美國加州大學(xué)圣迭戈分校納米工程系及穆爾斯癌癥中心(Moores Cancer Center)的教授。他入選“美國十大杰出青年科學(xué)家”的重要依據(jù)是,他創(chuàng)造性地給納米顆粒“穿”上了細(xì)胞膜,提出了革命性的“仿生納米醫(yī)學(xué)”技術(shù),解決了困擾納米醫(yī)學(xué)界的最大難題之一。
“仿生納米醫(yī)學(xué)”——從“躲貓貓”到“蒙混過關(guān)”的革命
納米醫(yī)學(xué)涉及到納米粒子在方方面面的應(yīng)用,可以用來遞藥,可以吸除體內(nèi)毒素,也可以用來做疫苗等等?梢允褂酶叻肿蛹{米材料,也有脂質(zhì)體的納米材料,有無機(jī)的也有有機(jī)的,但是不管使用哪種材料,只要進(jìn)入人體,就必須同免疫系統(tǒng)打交道。但是每個(gè)人都有自己獨(dú)特的免疫系統(tǒng),侵入體內(nèi)的細(xì)菌、病毒都會(huì)被免疫系統(tǒng)殺死并且清除。而當(dāng)這些納米粒子進(jìn)入體內(nèi)的時(shí)候,也會(huì)遇到相同的困難:納米粒子進(jìn)入體內(nèi)后,免疫細(xì)胞會(huì)把它們當(dāng)成危險(xiǎn)的東西,并非常努力地把它們?nèi)壳宄簟5坏┍磺宄,藥物就完全達(dá)不到效果了。因此,納米醫(yī)學(xué)一個(gè)非常重要的課題,就是要把納米粒子放到人體里面,既不破壞免疫系統(tǒng),又不會(huì)被免疫系統(tǒng)所識(shí)別。
高分子材料能延長納米粒子在血液中流通的時(shí)間
在這個(gè)領(lǐng)域,科學(xué)家過去幾十年的工作歸根結(jié)底就是一個(gè)字——“躲”:在納米粒子的表面包裹上各種合成的材料,比如高分子材料、多糖肽、蛋白等,從而躲過免疫系統(tǒng)的識(shí)別與攻擊。但是躲的方法就像捉迷藏一樣,遲早要被發(fā)現(xiàn),免疫系統(tǒng)會(huì)逐步產(chǎn)生一些抗體來對(duì)付這些合成的材料,這就讓“躲”的方法越來越難做。張良方教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種完全不同的方法來解決這個(gè)問題——采用“偽裝”的方法:不是包裹上其他合成材料,偷偷摸摸“躲”過去,而是穿上的敵人的“軍裝”,拿起敵人的“裝備”和“通行證”,偽裝成和敵人一樣以混過檢查!皞窝b”大概有幾種方法,最直接的就是就是把機(jī)體的標(biāo)記分子通過化學(xué)反應(yīng)的方法粘在納米粒子表面,但是生物分子是非常復(fù)雜的,它不是單一的蛋白組成的,需要很多的蛋白相互交叉識(shí)別才能達(dá)到識(shí)別功能,這是非常難模擬的,所以說用合成的方法來做基本上是不可能的;第二種方法就是直接把生物體的細(xì)胞膜取下來套在納米粒子表面,這就是他們所采用的方法。
他們不僅提出了“偽裝”的想法,而且實(shí)現(xiàn)了這樣的功能。以前相應(yīng)納米粒子可能在體內(nèi)待十幾個(gè)小時(shí),并且存在這樣一個(gè)問題:隨著材料使用次數(shù)的增加,免疫系統(tǒng)對(duì)它的識(shí)別就會(huì)越來越快,就像你躲在一個(gè)地方,免疫系統(tǒng)找出規(guī)律了就很容易找到了。但用細(xì)胞膜包裹之后,納米粒子在體內(nèi)的停留時(shí)間就躍升到40個(gè)小時(shí),極大地延長了半衰期,同時(shí)這種細(xì)胞膜包裹的納米粒子還可以重復(fù)使用很多次,也沒有效果越來越差的現(xiàn)象發(fā)生,因?yàn)樗看未┑亩际呛腕w內(nèi)細(xì)胞一模一樣的衣服。這是他們工作最核心的一個(gè)貢獻(xiàn),我們稱之為“仿生納米醫(yī)學(xué)”,開辟了一個(gè)新方向。
而且這個(gè)技術(shù)如果實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,其實(shí)還是很經(jīng)濟(jì)的。為什么呢?第一,用的高分子材料是可以大規(guī)模生產(chǎn)的,成本很低,那么價(jià)格就主要取決于紅血球(我們使用的細(xì)胞膜來自紅血球)。一般醫(yī)院使用每100毫升的血液價(jià)格大概是200多元,但是一袋血液可以造出很多很多的納米顆粒。舉個(gè)直觀的例子,1毫升的血里大概有50億個(gè)紅細(xì)胞,用每一個(gè)紅血球我們都可以造大概3000~4000個(gè)納米顆粒,你可以想一下1毫升血可以造多少的納米顆!蟾攀15~20萬億個(gè)。他們制造的納米顆粒非常小,所以它對(duì)原材料使用的量是非常有限的。
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