如何利用纳米技术瞄准疾病 - 以及为什么困难

科学家们正在设计比头发宽度小一千倍的材料

被称为纳米材料或纳米粒子,有些可以帮助治疗疾病

然而,用于生物医学应用的颗粒工程仍然具有挑战性,特别是当从试管移动到生物环境时

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这是我们在最近的一篇论文中讨论的问题

实验室中的纳米粒子是一回事,但是与血液,细胞和组织相互作用的纳米粒子是另一种,当从一个环境移动到另一个环境时,粒子的行为会发生很大变化

“生物纳米相互作用”是决定这些行为变化的原因,这是一个有很多困难的研究领域,但也有很大的回报

纳米粒子可以帮助创造更有效的医学治疗

目的是改善从药物输送到疾病检测的各个领域

纳米粒子的潜在好处之一是开发靶向治疗的可能性,使药物准确地进入体内需要的地方

例如,目前存在许多高效的化疗药物,但由于它们不仅与癌细胞相互作用,而且与健康的细胞不相互作用,它们中的许多都具有副作用,例如心脏和骨髓损伤

这限制了它们的功效,并且在为什么治疗癌症如此困难方面起着重要作用

但使用纳米粒子的靶向药物治疗仍然有限

与许多其他领域一样,在实验室中工作的东西很难转化为临床

一个例子是使用纳米颗粒作为“载体”,其载有药物然后在靶细胞处积聚(参见下图)

这些类型的纳米颗粒在实验室中可以很好地发挥作用,但是当在更复杂的生物环境中使用时(例如在血液中而不是在盐缓冲溶液中),物质会迅速变得更加复杂

例如,当将纳米颗粒注入血液中时,蛋白质吸附在其表面上,这可以完全改变它们的行为

这是因为这种生物涂层改变了颗粒的重要性质,包括电荷(正电荷,中性电位或负电荷)和大小

正在开发新方法以更好的方式评估纳米颗粒

这包括可以补充细胞和动物研究的调查技术

一个例子是可以模拟血管的微流体通道,并且可以用于研究毛细血管中的纳米材料行为

另一种选择使用3D打印的组织和器官

在最近的一个例子中,使用定制的3D打印机将填充有细胞的水凝胶印刷到表面上

关键是要具有可调整的复杂性

也就是说,能够调整这些方法,以便我们可以从研究中获得相关和有价值的信息

但不是那么复杂,以至于很难理解所涉及的机制

这很重要,因为施用于动物的纳米颗粒在从血流到目标区域的旅程中经历了几个生物学复杂程度(见下图)

为了充分了解正在发生的事情,我们需要全面研究它们

我们对生物纳米科学的了解越多 - 或者材料如何在纳米尺度上与生物学相互作用 - 就越容易设计出像我们想要的那样的纳米粒子

经过多年的共同努力,对于确定纳米粒子如何发挥作用的机制的更清晰的画面正在出现,我们面前的挑战的全部程度开始变得清晰

不太可能发现单个“快速修复”

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相反,成功地结合来自不同领域和研究人员的想法的研究可能会导致新的和改进的靶向纳米粒子的开发

目的是为今天难以治疗甚至不可能的疾病提供新的治疗方法

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