生物醫(yī)學(xué)納米技術(shù)課件

第四講：生物醫(yī)學(xué)納米技術(shù)

《生物醫(yī)學(xué)納米技術(shù)》第四講：生物醫(yī)學(xué)納米技術(shù)

《生物醫(yī)學(xué)納米技術(shù)》1BTITNTComputer(H/W,S/W)SemiconductorMEMSTelecommunicationInternetAudio/VisualdisplayGenomicsMolecularBiologyCellTechnologyTissueEngineeringNano-materialNano-structureNano-processingNano-machineBioinformaticsBiosensorBiochipsBioelectronicsBiocomputerNano-computerNano-motorNano-sensorNano-BiosensorNano-BiologyNano-MedicinePOCTotalAnalysisTechnology二十一世紀(jì)的三大關(guān)鍵技術(shù)BTITNTComputer(H/W,S/W)Genomi2豐富多彩的納米材料納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍（1-100nm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料核殼結(jié)構(gòu)磁性熒光納米棒Fe3O4TiO2AuAuAuFe3O4Fe2O3/SiO2Fe2O3/CdTe/AlgCdTeQDsFe3O4/PLA——Nano-Bio-TechGroup豐富多彩的納米材料納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米3物理學(xué)家-光刻技術(shù)化學(xué)家-自組裝納米加工與制備物理學(xué)家-光刻技術(shù)化學(xué)家-自組裝納米加工與制備4紫外燈激發(fā)下不同尺寸量子點(diǎn)顯示出不同的顏色（從藍(lán)到紅），發(fā)光波長(zhǎng)分別位于443,473,481,500,518,543,565,587,610,和655nm。CurrentOpinioninBiotechnology2002,13:40–46CdSe半導(dǎo)體量子點(diǎn)熒光紫外燈激發(fā)下不同尺寸量子點(diǎn)顯示出不同的顏色（從藍(lán)到紅），發(fā)光5不同尺寸和形狀的銀納米粒子具有不同的光學(xué)性質(zhì)不同尺寸和形狀的銀納米粒子具有不同的光學(xué)性質(zhì)6Fe3O4磁性納米顆粒Fe3O4的晶體結(jié)構(gòu)尖晶石結(jié)構(gòu)

[Fe3+]A[Fe3+,Fe2+]BO4—4B生物相容性Fe3O4磁性納米顆粒Fe3O4的晶體結(jié)構(gòu)尖晶石結(jié)構(gòu)[Fe7納米生物醫(yī)學(xué)——關(guān)注生命納米生物醫(yī)學(xué)/技術(shù)：一方面，是利用納米技術(shù)（包括納米材料）研究生命體的特征，發(fā)現(xiàn)新的生命現(xiàn)象和規(guī)律，為人類健康和疾病診斷與治療提供新的理論和方法；另一方面，模擬生命體精細(xì)的調(diào)節(jié)機(jī)制，通過(guò)仿生研究制備新型納米材料和建立新的納米技術(shù)?！{米技術(shù)與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)的交叉與融合。——同時(shí)，納米生物學(xué)、納米醫(yī)學(xué)又是納米科學(xué)與技術(shù)的重要研究領(lǐng)域。生物技術(shù)納米技術(shù)納米生物技術(shù)納米生物醫(yī)學(xué)——關(guān)注生命納米生物醫(yī)學(xué)/技術(shù)：——納米技術(shù)與生8腫瘤：能否象慢性病一樣治療？——靶向

挑戰(zhàn):減少癌癥的病痛和死亡—2015

“AVisionNotaDream!”byusingnanotechnology,Av.Eschenbach,NCI——早期診斷和靶向治療——破壞腫瘤生長(zhǎng)腫瘤：能否象慢性病一樣治療？挑戰(zhàn):減少癌9隱形-超小-長(zhǎng)循環(huán)-靶向隱形-超小-長(zhǎng)循環(huán)-靶向10Angew.Chem.Int.Ed.2004,43,6042–6108表面：Nano-BioBridge---Targeting/SensingFunction納米探針=納米顆粒+靶向分子信號(hào)組件+識(shí)別組件Angew.Chem.Int.Ed.2004,43111999年美國(guó)哈佛大學(xué)Weissleder等人提出分子影像學(xué)的概念,即應(yīng)用影像學(xué)方法,對(duì)活體狀態(tài)下體內(nèi)分子的生物化學(xué)過(guò)程進(jìn)行定性和定量研究。美國(guó)分子影像學(xué)會(huì)(TheSocietyforMolecularImaging)：分子影像是利用影像學(xué)的手段來(lái)無(wú)創(chuàng)傷地研究活體條件下生物細(xì)胞內(nèi)的正?；虿±頎顟B(tài)下的分子過(guò)程.。分子影像學(xué)

第194次香山科學(xué)會(huì)議“分子影像學(xué)”研討會(huì)于2002年10月30日至11月1日在杭州召開。分子影像學(xué)是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和分子生物學(xué)相互交叉滲透而產(chǎn)生的新學(xué)科。分子影像技術(shù)是利用現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)(主要是PET、MRI和光學(xué)CT)對(duì)人體內(nèi)部特定的分子進(jìn)行無(wú)損傷的實(shí)時(shí)成像。目前,分子影像常用的探測(cè)方法有核探測(cè)方法、核磁共振方法和光學(xué)方法等。要實(shí)現(xiàn)分子成像技術(shù)最關(guān)鍵的是分子探針、信號(hào)放大和靈敏度探測(cè)儀器。分子影像技術(shù)是向人體輸入一種分子(分子探針)與細(xì)胞內(nèi)分子(靶分子)進(jìn)行標(biāo)記成像。由于分子探針的濃度只有納克或皮克量級(jí),因而體內(nèi)成像信號(hào)放大和高靈敏度成像儀器的研制是分子影像技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。1999年美國(guó)哈佛大學(xué)Weissleder等人提出分子影12單分子行為的直接、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)觀察

——熒光標(biāo)記技術(shù)激光共聚焦掃描顯微鏡實(shí)時(shí)觀察量子點(diǎn)標(biāo)記的表皮生長(zhǎng)因子（EGF）與其受體的結(jié)合（標(biāo)尺為5微米）。量子點(diǎn)沿細(xì)胞偽足運(yùn)動(dòng)NatureBiotech.2004,22(2):198-203單分子行為的直接、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)觀察

——熒光標(biāo)記技術(shù)激光共聚焦13抗體引導(dǎo)靶向診斷腫瘤Fig.3Schematicoftheprincipleofactivetargeting[3].靶向納米顆?？贵w引導(dǎo)靶向診斷腫瘤Fig.3Schematicof14ParticulateDrug納米藥物載體+藥物藥物本身納米化：納米中藥、維甲酸納米顆粒納米顆粒本身成為藥物：腫瘤熱療用磁性納米顆粒、金納米顆粒、富勒烯納米顆粒ParticulateDrug納米藥物載體+藥物藥物本身納15紫杉醇白蛋白納米粒阿霉素脂質(zhì)體上市藥物臨床應(yīng)用—FDA批準(zhǔn)藥物紫杉醇白蛋白納米粒上市藥物臨床應(yīng)用—FDA批準(zhǔn)藥物16磁靶向藥物治療腫瘤Fig.2Schematicoftheprincipleofmagneticdrugtargeting[2].對(duì)照組紫杉醇紫杉醇+磁性納米粒紫杉醇+磁性納米粒+磁場(chǎng)可控磁性藥物載體時(shí)空可控給藥技術(shù)磁靶向藥物治療腫瘤Fig.2Schematicoft171min24hrs72hrs144hrs磁感應(yīng)腫瘤熱療小鼠肝腫瘤動(dòng)物模型治療實(shí)驗(yàn)磁性納米顆粒作為藥物1min24hrs72hrs144hrs磁感應(yīng)腫瘤熱療小鼠18磁介導(dǎo)熱療的治療方式磁介導(dǎo)熱療的治療方式(a)動(dòng)脈栓塞熱療，(b)直接注射熱療，(c)細(xì)胞內(nèi)熱療磁介導(dǎo)熱療的治療方式磁介導(dǎo)熱療的治療方式19超選擇介入栓塞超選擇介入栓塞20碘油磁液經(jīng)肝動(dòng)脈栓塞磁致熱療治療肝癌的實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)動(dòng)脈栓塞熱療（ArterialEmbolizationHyperthermiaAEH）通過(guò)超選擇介入導(dǎo)管技術(shù)將含有納米級(jí)磁性熱種子的拴塞劑選擇性灌注入腫瘤新生血管并栓塞，結(jié)合交變磁場(chǎng)磁致熱療，將有望解決深部腫瘤靶向性級(jí)溫度分布問(wèn)題。使用大型交變磁場(chǎng)進(jìn)行兔子動(dòng)脈栓塞磁致熱療試驗(yàn)光纖測(cè)溫碘油磁液經(jīng)肝動(dòng)脈栓塞磁致熱療治療肝癌的實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)動(dòng)脈栓塞熱療21病理結(jié)果熱療兩周后腫瘤大片壞死明顯，鄰近正常肝組織結(jié)構(gòu)清晰，形態(tài)正常。（HE，40×）正常組織（400×）

壞死組織（400×）

病理結(jié)果熱療兩周后腫瘤大片壞死明顯，鄰近正常肝組織結(jié)構(gòu)清晰，22磁性納米顆粒-臨床腫瘤熱療Fe3O4磁性納米顆粒-臨床腫瘤熱療Fe3O423RRQiao,CHYangandMYGaoJ.Mater.Chem.,2009,19,6274–6293磁性納米顆粒-臨床MRI造影AMAGPharmaceuticals,Inc.Fe3O4RRQiao,CHYangandMYGaoJ.24磁性靶向載藥脂質(zhì)體多功能診治策略靶向診療一體化磁性靶向載藥脂質(zhì)體多功能診治策略靶向診療一體化25多數(shù)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用基于電磁場(chǎng)-納米顆粒-生物體之間的相互作用非生命的物質(zhì)與生命的物質(zhì)在電磁場(chǎng)中的相互作用疾病診治的新原理、新方法、新技術(shù)納米生物電磁學(xué)Nano-Bio-eMagcs黑箱多數(shù)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用基于電磁場(chǎng)-納米顆粒-生物體之間的相互作用非26生物醫(yī)學(xué)納米技術(shù)課件27激光誘導(dǎo)金納米殼細(xì)胞熱療TechnologyinCancerResearch&Treatment，2004，3（1）：33-40金納米殼激光誘導(dǎo)金納米殼細(xì)胞熱療TechnologyinCanc28Nanoplatforms-靶向診斷與治療NCI—光動(dòng)力學(xué)療法Nanoplatforms-靶向診斷與治療NCI—光動(dòng)力學(xué)療29NanoX-rayTechnology二氧化鉿(HfO?)是一種具有寬帶隙和高介電常數(shù)的陶瓷材料，具有抗放射性并高效產(chǎn)生光電子。NanoX-rayTechnology二氧化鉿(Hf30

150年前，微米成為新的精度標(biāo)準(zhǔn)，并成為工業(yè)革命的技術(shù)基礎(chǔ)，最早和最好學(xué)會(huì)使用微米技術(shù)的國(guó)家都在工業(yè)發(fā)展中占據(jù)了巨大的優(yōu)勢(shì)。同樣，未來(lái)的技術(shù)將屬于那些明智接受納米作為新標(biāo)準(zhǔn)，并首先學(xué)習(xí)和使用它的國(guó)家。

H.Rohrer,1993世上本沒有路，走的人多了，便變成了路?！斞钢x謝同學(xué)們的參與！150年前，微米成為新的精度標(biāo)準(zhǔn)，并成為工業(yè)革命31第四講：生物醫(yī)學(xué)納米技術(shù)

《生物醫(yī)學(xué)納米技術(shù)》第四講：生物醫(yī)學(xué)納米技術(shù)

《生物醫(yī)學(xué)納米技術(shù)》32BTITNTComputer(H/W,S/W)SemiconductorMEMSTelecommunicationInternetAudio/VisualdisplayGenomicsMolecularBiologyCellTechnologyTissueEngineeringNano-materialNano-structureNano-processingNano-machineBioinformaticsBiosensorBiochipsBioelectronicsBiocomputerNano-computerNano-motorNano-sensorNano-BiosensorNano-BiologyNano-MedicinePOCTotalAnalysisTechnology二十一世紀(jì)的三大關(guān)鍵技術(shù)BTITNTComputer(H/W,S/W)Genomi33豐富多彩的納米材料納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍（1-100nm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料核殼結(jié)構(gòu)磁性熒光納米棒Fe3O4TiO2AuAuAuFe3O4Fe2O3/SiO2Fe2O3/CdTe/AlgCdTeQDsFe3O4/PLA——Nano-Bio-TechGroup豐富多彩的納米材料納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米34物理學(xué)家-光刻技術(shù)化學(xué)家-自組裝納米加工與制備物理學(xué)家-光刻技術(shù)化學(xué)家-自組裝納米加工與制備35紫外燈激發(fā)下不同尺寸量子點(diǎn)顯示出不同的顏色（從藍(lán)到紅），發(fā)光波長(zhǎng)分別位于443,473,481,500,518,543,565,587,610,和655nm。CurrentOpinioninBiotechnology2002,13:40–46CdSe半導(dǎo)體量子點(diǎn)熒光紫外燈激發(fā)下不同尺寸量子點(diǎn)顯示出不同的顏色（從藍(lán)到紅），發(fā)光36不同尺寸和形狀的銀納米粒子具有不同的光學(xué)性質(zhì)不同尺寸和形狀的銀納米粒子具有不同的光學(xué)性質(zhì)37Fe3O4磁性納米顆粒Fe3O4的晶體結(jié)構(gòu)尖晶石結(jié)構(gòu)

[Fe3+]A[Fe3+,Fe2+]BO4—4B生物相容性Fe3O4磁性納米顆粒Fe3O4的晶體結(jié)構(gòu)尖晶石結(jié)構(gòu)[Fe38納米生物醫(yī)學(xué)——關(guān)注生命納米生物醫(yī)學(xué)/技術(shù)：一方面，是利用納米技術(shù)（包括納米材料）研究生命體的特征，發(fā)現(xiàn)新的生命現(xiàn)象和規(guī)律，為人類健康和疾病診斷與治療提供新的理論和方法；另一方面，模擬生命體精細(xì)的調(diào)節(jié)機(jī)制，通過(guò)仿生研究制備新型納米材料和建立新的納米技術(shù)?！{米技術(shù)與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)的交叉與融合。——同時(shí)，納米生物學(xué)、納米醫(yī)學(xué)又是納米科學(xué)與技術(shù)的重要研究領(lǐng)域。生物技術(shù)納米技術(shù)納米生物技術(shù)納米生物醫(yī)學(xué)——關(guān)注生命納米生物醫(yī)學(xué)/技術(shù)：——納米技術(shù)與生39腫瘤：能否象慢性病一樣治療？——靶向

挑戰(zhàn):減少癌癥的病痛和死亡—2015

“AVisionNotaDream!”byusingnanotechnology,Av.Eschenbach,NCI——早期診斷和靶向治療——破壞腫瘤生長(zhǎng)腫瘤：能否象慢性病一樣治療？挑戰(zhàn):減少癌40隱形-超小-長(zhǎng)循環(huán)-靶向隱形-超小-長(zhǎng)循環(huán)-靶向41Angew.Chem.Int.Ed.2004,43,6042–6108表面：Nano-BioBridge---Targeting/SensingFunction納米探針=納米顆粒+靶向分子信號(hào)組件+識(shí)別組件Angew.Chem.Int.Ed.2004,43421999年美國(guó)哈佛大學(xué)Weissleder等人提出分子影像學(xué)的概念,即應(yīng)用影像學(xué)方法,對(duì)活體狀態(tài)下體內(nèi)分子的生物化學(xué)過(guò)程進(jìn)行定性和定量研究。美國(guó)分子影像學(xué)會(huì)(TheSocietyforMolecularImaging)：分子影像是利用影像學(xué)的手段來(lái)無(wú)創(chuàng)傷地研究活體條件下生物細(xì)胞內(nèi)的正?；虿±頎顟B(tài)下的分子過(guò)程.。分子影像學(xué)

第194次香山科學(xué)會(huì)議“分子影像學(xué)”研討會(huì)于2002年10月30日至11月1日在杭州召開。分子影像學(xué)是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和分子生物學(xué)相互交叉滲透而產(chǎn)生的新學(xué)科。分子影像技術(shù)是利用現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)(主要是PET、MRI和光學(xué)CT)對(duì)人體內(nèi)部特定的分子進(jìn)行無(wú)損傷的實(shí)時(shí)成像。目前,分子影像常用的探測(cè)方法有核探測(cè)方法、核磁共振方法和光學(xué)方法等。要實(shí)現(xiàn)分子成像技術(shù)最關(guān)鍵的是分子探針、信號(hào)放大和靈敏度探測(cè)儀器。分子影像技術(shù)是向人體輸入一種分子(分子探針)與細(xì)胞內(nèi)分子(靶分子)進(jìn)行標(biāo)記成像。由于分子探針的濃度只有納克或皮克量級(jí),因而體內(nèi)成像信號(hào)放大和高靈敏度成像儀器的研制是分子影像技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。1999年美國(guó)哈佛大學(xué)Weissleder等人提出分子影43單分子行為的直接、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)觀察

——熒光標(biāo)記技術(shù)激光共聚焦掃描顯微鏡實(shí)時(shí)觀察量子點(diǎn)標(biāo)記的表皮生長(zhǎng)因子（EGF）與其受體的結(jié)合（標(biāo)尺為5微米）。量子點(diǎn)沿細(xì)胞偽足運(yùn)動(dòng)NatureBiotech.2004,22(2):198-203單分子行為的直接、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)觀察

——熒光標(biāo)記技術(shù)激光共聚焦44抗體引導(dǎo)靶向診斷腫瘤Fig.3Schematicoftheprincipleofactivetargeting[3].靶向納米顆?？贵w引導(dǎo)靶向診斷腫瘤Fig.3Schematicof45ParticulateDrug納米藥物載體+藥物藥物本身納米化：納米中藥、維甲酸納米顆粒納米顆粒本身成為藥物：腫瘤熱療用磁性納米顆粒、金納米顆粒、富勒烯納米顆粒ParticulateDrug納米藥物載體+藥物藥物本身納46紫杉醇白蛋白納米粒阿霉素脂質(zhì)體上市藥物臨床應(yīng)用—FDA批準(zhǔn)藥物紫杉醇白蛋白納米粒上市藥物臨床應(yīng)用—FDA批準(zhǔn)藥物47磁靶向藥物治療腫瘤Fig.2Schematicoftheprincipleofmagneticdrugtargeting[2].對(duì)照組紫杉醇紫杉醇+磁性納米粒紫杉醇+磁性納米粒+磁場(chǎng)可控磁性藥物載體時(shí)空可控給藥技術(shù)磁靶向藥物治療腫瘤Fig.2Schematicoft481min24hrs72hrs144hrs磁感應(yīng)腫瘤熱療小鼠肝腫瘤動(dòng)物模型治療實(shí)驗(yàn)磁性納米顆粒作為藥物1min24hrs72hrs144hrs磁感應(yīng)腫瘤熱療小鼠49磁介導(dǎo)熱療的治療方式磁介導(dǎo)熱療的治療方式(a)動(dòng)脈栓塞熱療，(b)直接注射熱療，(c)細(xì)胞內(nèi)熱療磁介導(dǎo)熱療的治療方式磁介導(dǎo)熱療的治療方式50超選擇介入栓塞超選擇介入栓塞51碘油磁液經(jīng)肝動(dòng)脈栓塞磁致熱療治療肝癌的實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)動(dòng)脈栓塞熱療（ArterialEmbolizationHyperthermiaAEH）通過(guò)超選擇介入導(dǎo)管技術(shù)將含有納米級(jí)磁性熱種子的拴塞劑選擇性灌注入腫瘤新生血管并栓塞，結(jié)合交變磁場(chǎng)磁致熱療，將有望解決深部腫瘤靶向性級(jí)溫度分布問(wèn)題。使用大型交變磁場(chǎng)進(jìn)行兔子動(dòng)脈栓塞磁致熱療試驗(yàn)光纖測(cè)溫碘油磁液經(jīng)肝動(dòng)脈栓塞磁致熱療治療肝癌的實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)動(dòng)脈栓塞熱療52病理結(jié)果熱療兩周后腫瘤大片壞死明顯，鄰近正常肝組織結(jié)構(gòu)清晰，形態(tài)正常。（HE，40×）正常組織（400×）

壞死組織（400×）

病理結(jié)果熱療兩周后腫瘤大片壞死明顯，鄰近正常肝組織結(jié)構(gòu)清晰，53磁性納米顆粒-臨床腫瘤熱療Fe3O4磁性納米顆粒-臨床腫瘤熱療Fe3O454RRQiao,CHYangandMYGaoJ.Mater.Chem.,2009,19,6274–6293磁性納米顆粒-臨