用于诊断和体内的可植入纳米设备想象:我们在哪里?

介绍

即使在科学中，变化也是唯一不变的。从一个科学家认为原子是物质最小单位的时代，我们已经来到了一个我们谈论上帝粒子和一整套新理论正在形成的时代。随着我们进入未来，技术变革的步伐越来越快。从医学，农业电子技术和空间研究已经打开了一扇巨大的可能性之窗。纳米技术是那些已经彻底改变了许多研究领域的标志性领域之一。医学和医疗保健领域的应用已经发生了转变纳米技术“纳米医学”的一个新分支已经发展起来。它为改善医疗诊断提供了几种有前景的可能性，并可以在实现可负担得起的医疗保健这一长期追求的目标方面发挥关键作用。

虽然纳米技术对医学科学在不同方面都有好处，但这里的主要焦点是讨论目前在体内领域的进展诊断并为纳米技术的成像应用寻找新的途径。现代医学的基础是在19世纪奠定的，从那时起，它有了重大的发展，新的治疗方案和诊断技术。纳米是一个广阔的研究领域，影响着医疗保健领域的每一个部分，即预防医学，诊断和治疗。据估计，大约有250种纳米药物已经在人体上进行了测试或使用。除了药物输送和治疗应用，医疗诊断是纳米技术进步的另一个受益领域[1］．

由于计算技术的迅速发展，x射线的计算机断层扫描(CT)，磁共振成像(MRI)，正电子发射断层扫描(PET)，现在是一种复杂的疾病检测仪器。尽管这些技术揭示了骨骼、软组织、器官和代谢参数的不同结构信息，但为了更好地预测复杂疾病，还需要做更多的工作来提高它们的分辨率。此外，随着人们对监测治疗方案效果和持续监测患者的需求不断增加，过去十年，植入式设备和人工智能设备的需求急剧增长在活的有机体内成像工具[2］．这是一个流行的研究领域，纳米技术在其中发挥着重要作用，并为医学和医疗保健部门提供了一个范式转变。最重要的是，纳米技术允许从单个原子和分子到微米大小的物体的制造和操作，从而使许多当前设备小型化，从而实现更快的操作;由于设备功能的集成和体积的缩小，为其开辟了新的前景在活的有机体内应用程序。

近年来，MEMS/NEMS(微机电系统/纳米机电系统)领域也发生了深刻的发展，为精确的疾病诊断和在线监测提供了巨大的生物医学机会。通常，体内诊断是指基于荧光纳米颗粒或染料的成像来评估药物靶向传递或器官特异性积聚的反应。但在更广泛的意义上，微型植入式设备也可以包括在这个领域。从体外诊断设备中获得的大量数据为其转化为体内应用提供了强大的推动力[1，3.］．

有人说“需求是所有发明之母”，这也是植入式设备的基础。尽管取得了相当大的进展在体外技术，在大多数情况下，它们无法实时监测复杂的生物事件，特别是发生在大脑中的事件，也无法从器官中收集合理的数据[4］．先进的纳米技术是一个福音在活的有机体内通过纳米传感器、纳米植入物或纳米机器人装置的形式，诊断系统和目前生物过程的持续监测以及在特定感兴趣的部位输送药物负载都是可能的。这些技术在癌症等致命疾病的早期发现、疾病阶段监测以及更好地了解治疗和手术疗效方面显示出巨大潜力。

纳米技术可以以各种方式用于体内诊断，如用于成像和药物输送的可吞咽药丸，微型纳米器件/可植入纳米传感器作为循环模块，用于收集艾滋病毒、癌症和其他感染等慢性疾病的信息，同时也可以及时发现和迅速采取行动。虽然其中一些是未来的概念，但临床批准在活的有机体内糖尿病血糖监测仪是最好的例子，持续监测患者间质液中的葡萄糖可以更好地控制患者的血糖[1，4，5］．除此之外，心脏支架、作为骨科植入物的纳米支架和纳米视网膜植入物;以色列的一家公司对可植入纳米器件的前景进行了展望。这些设备能够在目标部位执行特定任务，并可以更好地了解治疗药物的生物学功能、作用模式和患者的在线监测。然而，尽管微加工技术、纳米技术和生物医学科学的其他相关领域在可植入装置的设计上取得了巨大的进步，但该领域仍处于起步阶段，这些植入物在生理环境中的作用仍不清楚。理想情况下，体内植入物应具有生物相容性、稳定性，并能够产生精确的信号以进行信息传递。尽管纳米技术提供了各种可能性，但也存在一些挑战。纳米颗粒的毒性是引起关注的主要原因，在微小植入物的情况下，肾脏清除、与蛋白质和体液的相互作用;凝血、免疫原性、植入部位可能的组织损伤和来自体内的信号放大是需要处理的主要问题。

可植入纳米器件是生物医学的一个新兴分支，具有巨大的发展潜力。1966年，电影《神奇的航行》(the Fantastic Voyage)将潜水艇缩小，注入人体血液，从那以后，在人体器官或组织的特定部位制造能执行精细任务的纳米设备或微型机器的想法成为了现实。纳米技术正在快速发展，这表明将改变医疗保健的体内纳米设备有着光明的未来。然而，达到商业化阶段的产品并不多，在这些植入物成为从药物输送到在线疾病监测的医疗必需品之前，还有很长的路要走。通过集中精力研究与毒性、稳定性和信号放大相关的问题，以进行准确的监测和检测，我们将能够充分利用纳米技术的潜力，并令人兴奋地设想它如何帮助解决人类今天面临的一些基本问题，并使纳米器件成为一个成功的故事。

参考文献

1. 欧洲纳米医学技术平台。纳米技术促进健康:展望文件和纳米医学战略研究议程的基础;2005年。
2. Key J和Leary JF。纳米医学中用于多模态体内成像的纳米颗粒。国际纳米医学杂志，2014;9:711-726。
3. Barkam S，等。生物相容性，FDA和ISO 10993。纳米生物技术。2013;5:54 -568。
4. Eckert MA等人。用于体内传感的新型分子和纳米传感器。开展2013;3:583 - 594。
5. Vallée-Bélisle A和Plaxco KW.结构转换生物传感器:灵感来自大自然。中国生物医学工程杂志，2010;20:518-526。