当你听到“纳米医学”这个词时，它可能会让人想起 1966 年电影《奇幻旅程》中的场景。这部电影描绘了一支缩小规模的医疗团队，乘坐一艘微型机器人船穿过一名男子的身体，以清除他大脑中的血块。
纳米医学还没有达到那种复杂程度。尽管科学家们可以产生小于几纳米的纳米材料——“纳米”表示十亿分之一米——但今天的纳米技术还不能产生足够小的功能性电子机器人来安全地注入血液。但自从1970 年代首次引入纳米技术的概念以来，它已经在许多日常用品中留下了印记，包括电子产品、织物、食品、水和空气处理工艺、化妆品和药物。鉴于在不同领域取得的这些成功，许多医学研究人员都渴望使用纳米技术来诊断和治疗疾病。
我是一名受到纳米医学前景启发的药物科学家。在过去的 20 年里，我的实验室一直致力于使用纳米材料开发癌症治疗方法。虽然纳米医学取得了许多成功，但像我这样的一些研究人员对其在癌症中的整体表现不佳感到失望。为了更好地将实验室的成功转化为临床治疗，我们提出了一种使用纳米材料设计 抗癌药物的新方法。使用这种策略，我们开发了一种能够在患有转移性乳腺癌的小鼠中实现完全缓解的治疗方法。
什么是纳米医学?
纳米医学是指使用纳米尺度的材料来诊断和治疗疾病。一些研究人员将纳米医学定义为使用小于 1,000 纳米的纳米材料的任何医疗产品。其他人更狭义地使用该术语来指代使用小于 200 纳米的纳米粒子的可注射药物。任何较大的东西注射到血液中都可能不安全。
虽然纳米医学不是“奇幻旅程”，但它与电影的治疗目标相同，即将药物准确地送到需要去的地方。
几种纳米材料已成功用于疫苗。今天最著名的例子是辉瑞-BioNTech 和 Moderna COVID-19 mRNA 疫苗。这些疫苗使用由脂质或脂肪酸制成的纳米颗粒，有助于将 mRNA 运送到需要进入体内的地方以触发免疫反应。
研究人员还成功地将纳米材料用于诊断和医学成像。快速 COVID-19 测试和妊娠测试使用金纳米粒子形成指示阳性结果的彩色带。磁共振成像或 MRI通常使用纳米粒子作为造影剂，有助于使图像更加可见。
几种基于纳米颗粒的药物已被批准用于癌症治疗。Doxil(多柔比星)和Abraxane(紫杉醇)是使用纳米材料作为递送机制来提高治疗效果和减少副作用的化疗药物。
癌症和纳米医学
纳米药物提高药物有效性和降低其毒性的潜力对于使用通常具有强烈副作用的抗癌药物的癌症研究人员具有吸引力。事实上，65% 的使用纳米粒子的临床试验都集中在癌症上。
黄金是一种纳米粒子，研究人员正在对它的用途进行一系列测试。
这个想法是，纳米粒子抗癌药物可以像生物导弹一样摧毁肿瘤，同时最大限度地减少对健康器官的损害。由于肿瘤有渗漏的血管，研究人员认为这将使纳米颗粒在肿瘤中积聚。相反，由于纳米粒子在血液中的循环时间比传统的癌症治疗方法长，因此它们在健康器官中的积聚更少并降低毒性。
尽管这些设计策略已在小鼠模型中取得成功，但大多数纳米颗粒抗癌药物并未显示出比其他抗癌药物更有效。此外，虽然一些基于纳米颗粒的药物可以降低对某些器官的毒性，但它们可能会增加其他器官的毒性。例如，虽然与其他化疗方案相比，基于纳米颗粒的Doxil减少了对心脏的损害，但它会增加患手足综合征的风险。
改进基于纳米粒子的抗癌药物
为了研究改进基于纳米颗粒的抗癌药物的设计方法，我和我的研究团队检查了五种已批准的基于纳米颗粒的抗癌药物与不含纳米颗粒的相同抗癌药物相比，在肿瘤中积累和避免健康细胞的效果如何。根据我们实验室研究的结果，我们提出将纳米粒子设计为更具体地针对其预期目标可以改善它们从动物模型到人类的转化。这包括创造纳米颗粒来解决特定药物的缺点——例如常见的副作用——并关注它们应该针对每种特定癌症类型的细胞类型。
使用这些标准，我们设计了一种基于纳米颗粒的转移性乳腺癌免疫疗法。我们首先发现乳腺癌具有一种抑制免疫反应的免疫细胞，帮助癌症对刺激免疫系统攻击肿瘤的治疗产生抗药性。我们假设虽然药物可以克服这种抵抗力，但它们无法在这些细胞中充分积累以取得成功。因此，我们设计了由一种称为白蛋白的常见蛋白质制成的纳米颗粒，可以将抗癌药物直接输送到这些免疫抑制细胞所在的位置。
当我们在基因改造后患乳腺癌的小鼠身上测试基于纳米粒子的治疗时，我们能够消除肿瘤并实现完全缓解。所有的老鼠在出生后 200 天都还活着。我们希望它最终能从动物模型转化为癌症患者。
一些使用纳米颗粒的药物(例如COVID-19 mRNA 疫苗)的成功引起了研究人员和公众对它们在治疗各种其他疾病中的潜在用途的兴奋，包括关于未来癌症疫苗的讨论。但是，传染病疫苗与癌症疫苗不同。癌症疫苗可能需要不同的策略来克服治疗耐药性。将基于纳米颗粒的疫苗注射到血液中也具有与注射到肌肉不同的设计挑战。
虽然纳米医学领域在将药物或诊断方法从实验室带入临床方面取得了良好进展，但仍有很长的路要走。从过去的成功和失败中学习可以帮助研究人员取得突破，使纳米医学能够兑现其承诺。