纳米技术：新兴的生物和医学工具

摘要

在生物学和医学的背景下，纳米技术包括材料、设备和系统，其结构和功能与从纳米（10⁻⁹m） 通过微米（10⁻⁶米）(怀特赛德斯2003). 这种尺寸机制与生物系统和人造设备中的有趣现象有关。特别是，生命的基本组成部分就在这一范围内，包括生物大分子和细胞。例如，dsDNA是直径为2 nm的链状大分子，细胞膜是厚度为～10 nm的片状结构，（悬浮）真核细胞是直径为～10 um的近似球形。值得注意的是，人工纳米结构也可以用类似的尺寸构建，包括具有～2-nm开口的纳米孔、直径为～10-nm的无机纳米线和直径为10-100nm的球形纳米颗粒(方框1). 此外，这种尺寸机制与意料之外的化学和物理有关，其中分子效应可以发挥重要作用。这可以从纯粹的几何论证中理解——硅纳米线中的～10纳米宽度仅对应于～40个原子。因此，相对于体积而言，这些纳米结构的表面积非常大。如果相同的硅纳米线具有方形横截面，那么大约每10个原子中就有一个与表面相关。相反，如果我们有一条宽度为10毫米的宏观线，那么只有万分之一的原子与表面有关。最后，由于这些小尺寸，电子在空间上受到限制，从而产生特殊的电学、磁学、光学和热学特性(Alivisatos 2004年). 一个令人兴奋的前景是跨越这些生物分子和物理领域，利用一个领域的独特能力在另一个领域应用。

方框1。需要一些组装：用分子构建块制作纳米结构

纳米结构的生产通常通过两种方法进行(马渡2012)：（1）自上而下的方法通过连续添加或删除薄层材料，在平面上施加结构或图案。例如，光刻术使用紫外光将光敏聚合物制成纳米级特征。使用电子束或聚焦离子束对表面进行图案处理，特别是对材料进行研磨或雕刻，可以提高分辨率。（2） 自下而上的方法是基于将原子或分子组件组织成层次结构组件。例如，细胞骨架聚合物是通过单体蛋白单元的连续添加形成的。相反，碳纳米管或硅纳米线是从气相或液相的化学前体中生长出来的。一个关键的概念差异是，自上而下的制造是确定性的，并且控制良好，而自下而上的装配是随机的，可能会导致缺陷。然而，自上而下的制造针对与生物制品不相容的高度特定的加工条件进行了优化，因此必须使用自下而上的组装。

自底向上自组装的一个特别令人兴奋的例子是一维（1D）核酸链的使用，这些核酸链组织成基于分子识别的设计二维（2D）和三维（3D）结构(Aldaye等人，2008年). 基于分支和结点形成的初步工作启发了2D瓦片的设计，该瓦片基于逻辑规则组织成分层格(Seeman 2003年). 随后，在“DNA折纸”中，可以用较短的“钉”链引导一条长DNA链折叠成更复杂的2D形状(Rothemund 2006年). 最近，这些方法已扩展到三维结构。例如，已经生产出立方“类乐高”砖，其中的自由端是识别位点，可以以定义的方向与溶液中的特定砖唯一结合(图2A;Ke等人，2012年) (). 通过从每边约10像素（约25 nm）的实心立方体中移除砖状元素，可以设计出几乎任意的“像素化”对象，并演示了100种不同的几何图形。或者，DNA链可以编织成薄片状结构，可以卷曲和扭曲(图2B;Dietz等人，2009年). 这些技术的一个很有前景的应用是构建支架，使DNA连接的蛋白质、肽和无机纳米结构能够精确定位和动态驱动。在这些概念的基础上，一个药物输送“机器人”已经被证明，通过对癌相关抗原的逻辑适配体识别，可以揭示出可能与细胞表面受体发生分子相互作用的抗体片段(Douglas等人，2012年). 总的来说，DNA纳米技术对于合理设计2D和3D纳米结构具有极其强大的功能，并且具有任何其他技术都无法实现的精确控制。然而，一个持续的挑战是减少缺陷和错误折叠结构的形成，以及在体内建立这些结构的生物相容性(Shih和Lin，2010年).

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图2。

(A类)DNA“类乐高”砖用于三维长方体结构。(B类)DNA片组装成弯曲和各向异性的几何形状。(C类)使用PRINT制造的不同材料、形状和尺寸的纳米颗粒(D类)使用流动光刻技术制造的多组分条形码颗粒。发件人Pregibon等人（2007年）和Ke等人（2012）。经AAAS许可转载。转载自Shih和Lin（2010）经爱思唯尔许可。转载自Wang等人（2011年a）; ©2011 Wiley-VCH Verlag GmbH&Co.，KGaA，Weinheim版权所有。

已经制定了一些混合方案，将自上而下和自下而上的方法结合起来。例如，在软光刻技术中，自上而下的特征被复制到塑料“图章”中，可以用蛋白质或无机纳米材料覆盖，然后转移到表面的特定位置(Whitesides等人，2001年). 这种方法的一种变体（PRINT）被用于制造聚合物颗粒，这些聚合物颗粒通过辊对辊制造进行浇铸和去除(Wang等人2011a). 这种方法可以独立控制粒度、形状、刚度、材料和表面化学(图2C). 这被用于系统地探索红细胞形状颗粒的设计规则，表明八倍的软颗粒显示出30倍的循环时间增强(Merkel等人，2011年). 另一个例子是使用光刻技术在微流控通道中交联水凝胶，允许基于界面流动的分层复合结构(Helgeson等人2011). 这种方法对于构造具有不同功能的复杂几何体特别有效(图2D); 例如，具有条形码标识符和不同核酸探针区域的多室粒子用于多重分析物检测(Pregibon等人，2007年). 这种功能可以进一步应用于生成异质结构、化学补丁和连续的分子梯度。总的来说，这些混合方案利用了自下而上和自上而下的方法，在更具生物相容性的条件下制备具有更大一致性的纳米结构。然而，广泛采用的一个持续的挑战将是大规模生产用于大批量制造。

纳米生物界面的概念框架可以基于两个主要主题构建(图1). 首先，纳米技术使测量和检测体内外生物的新方法成为可能。例如，纳米级设备可以在单分子和单细胞水平上感知微小差异。例如，这种精细的敏感性可以用来表征高通量下的单细胞异质性，揭示不同的层次结构和亚群。在传统的批量分析中，这一级别的详细信息往往会丢失，而批量分析是衡量从大量数据中汇集的人口的“平均”信息。其次，纳米技术为扰乱细胞和治疗患者提供了新方法。例如，纳米材料可以被设计成在克服或避开生物屏障的同时，精确地将治疗药物输送到目标位置，从而改变货物（通常是药物）的固有药代动力学和生物分布。这避免了与使用可溶性药物进行常规给药相关的并发症，后者与低摄取和不一致摄取相关。一个令人兴奋的前景是这两个主题的协同集成：可以同时检测和干扰生物学的纳米技术。在纳米材料及其环境之间的反馈驱动下，此类仿生纳米系统的设计和构建将产生诸如适应、自组织和放大等新兴行为。这些能力对于应对生命系统的时空复杂性具有潜在的变革性。

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图1。

生物学和医学中纳米技术的关键主题，包括测量或扰动体外细胞以及诊断或治疗患者的新功能。一个令人兴奋的前景是，这些不同的仿生行为能力的未来整合，如适应、自组织和扩增。

在这篇综述中，我们回顾了纳米技术应用于生物学和医学的一些示例。这是为了让非专家能够使用纳米技术的新功能(方框1,图2)特别强调我们各自在纳米技术和微流体领域的专业知识，用于哺乳动物细胞生物学和医学。特别是，我们介绍了表征生物系统的最新进展：体外生物分子和细胞的精确测量，微晶玻璃液滴的操作，以及复杂样品的临床评估。我们还研究了扰动生物系统的创新方法，包括微创纳米针以及合理设计的多功能纳米颗粒。由于篇幅有限，我们只纳入了近期发展的有限样本；我们为读者提供了每个主题的其他更全面的评论。最后，我们考虑这些技术的未来前景和挑战。

逐一计数：生物分子和细胞的精确测量

历史上，生物分子和细胞的测量都是使用批量分析进行的，例如在实验完成时从数千或数百万细胞中收集的裂解物。相反，与纳米结构相关的小尺寸使他们能够以前所未有的分辨率探测和操纵单个细胞和分子的动力学。这方面的一个例子是使用纳米尺度的孔，可以根据大小和生物化学特性区分分子(Branton等人，2008年). 特别是，生物通道和孔能够以埃级（0.1 nm或10⁻¹⁰米）(Bayley和Cremer 2001年). 受这种生物功能的启发，人们假设纳米孔可以解开和解压缩DNA，从而使单个核苷酸在单个文件中顺序移位。然而，建立直径约为1纳米的精确控制孔隙一直是一项挑战(Venkatesan和Bashir，2011年). 生物蛋白孔（如α-溶血素（αHL））具有明确的孔径，但通常需要并入机械精细的脂质双层以保持稳定性。相比之下，人工纳米孔缺乏蛋白质的化学复杂性，选择性降低。最近通过将αHL蛋白直接插入稍大的无机纳米孔实现了一种混合方案(图3A;Hall等人，2010年). 该方案显示了生物孔的优点，具有更高的选择性和灵敏度，同时也具有无机支架的机械稳定性。该设备可能会被缩放，以便大量纳米孔可以并行操作。原则上，这种方法可以在高转移速度下长时间读取单个分子。由于DNA的随机运动以及快速易位速度下的测量灵敏度，这项技术目前面临的一个挑战是实现单基面分辨率的灵敏度。

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图3。

(A类)利用混合生物-人工纳米孔对DNA进行测序。(B类)使用碳纳米管测量细胞分泌的活性氧。(C类)使用纳米线阵列的三维（3D）支架中的电生理学。(D类)使用牵引力显微镜观察3D支架的机械变形。(E类)使用微谐振器测量粘附细胞的生长。(F类)使用悬浮质量谐振器测量溶液中细胞的生长。经麦克米伦出版有限公司许可转载霍尔等人（2010）,Jin等人（2010）,Legant等人（2010年）,Son等人（2012）、和Tian等人（2012）。经允许复制Park等人（2010）.

当基于纳米结构的小尺寸生物传感器在单个细胞周围以高密度图案化时，可以最有效地利用它们，实现亚微米和亚细胞长度尺度的高度局部化测量。例如，现有技术无法测量细胞向细胞外空间分泌的生长因子、细胞因子和其他信号分子(爱情2010). 纳米结构之所以具有优势，不仅是因为它们的尺寸与生物分子相当，还因为它们的大小能够增强光学特性(布罗洛2012). 最近的一项研究使用碳纳米管传感器检测基于光学荧光猝灭的单分子分辨率的活性氧物种（ROS）(Jin等人，2010年). 为了响应表皮生长因子（EGF）对A431癌细胞的刺激，在细胞膜附近观察到高ROS浓度的短暂“热点”(图3B)即使细胞被固定。利用金纳米粒子的等离子体光谱，采用类似的方法测量细胞内细胞色素C动力学(Choi等人，2009年). 值得注意的是，为了响应促凋亡刺激，他们能够测量细胞色素C从线粒体释放到细胞质中。最后，使用以亚微米间距图案化的纳米等离子体谐振器阵列来表征T淋巴细胞中IL-2的自分泌信号，揭示了高度局部化的分泌谱(Wang等人，2011年c). 总的来说，这些光学纳米结构能够以高空间和时间分辨率实现精细的分子灵敏度，能够区分特定细胞分泌的分子和背景中的分子。然而，生产这些纳米结构需要专门的制造技术，这些技术很难扩大规模，在广泛应用之前需要解决这一问题。

单细胞的另一个有趣的读数是电和离子通道活动。这种电生理测量与神经科学高度相关(Alivisatos等人，2013年)以及药理学测试(Dunlop等人，2008年). 然而，现有的膜片钳和电极相对笨重，因此它们与三维（3D）组织结合不良，无法实现单细胞分辨率。纳米结构在这里增加了新的功能，因为它们的高比表面积和体积比使它们对电变化极为敏感。在开发高度柔性、可拉伸和生物相容性的集成电路方面已经开展了大量工作(Kim等人，2012年a). 最近的一项研究纳入了一个柔性网状电传感器阵列，该阵列与3D支架形成了一个互穿网络(图3C). 随后培养的神经元在数周内表现出良好的活力，并且可以同时记录不同细胞的电活动。这种无缝集成的程度可能是因为合成结构元素的大小与神经元相当。未来增加电子传感器密度的工作可能用于绘制神经电路(Alivisatos等人，2013年). 这种方法的一个困难是将每个电极定位到与感兴趣的特定电池接口。

细胞感知和重塑周围环境所施加的机械力对于理解它们如何调节细胞和组织功能至关重要(Nelson和Bissell 2006). 这已经在细胞粘附于平面二维（2D）基质的背景下进行了探索。最近，人们对测量细胞如何与3D微环境相互作用越来越感兴趣，这可能与生理学更相关(贝克和陈2012). 通过跟踪数万个嵌入的荧光纳米颗粒的运动，对细胞施加的使3D支架变形的力进行了量化(图3D;Legant等人，2010年). 值得注意的是，他们发现3D中的成纤维细胞在伸肌尖端附近施加强大的牵引力，类似于2D中在跛足足附近测得的力。下一步重要的工作是将此技术应用于更像细胞外基质（ECM）的系统，这些系统具有高度异构和动态架构(Even-Ram和Yamada 2005).

最后，纳米结构可用于直接测量单细胞表型。特别是，细胞间变异的一个来源是细胞周期，它驱动生长动力学和分裂事件(Snijder和Pelkmans 2011). 共振传感器用于测量50小时以上粘附细胞的质量(图3E;Park等人，2010年). 或者，使用具有悬浮几何结构的谐振传感器测量35小时内悬浮细胞的质量(图3F;Son等人，2012年). 值得注意的是，两组都观察到生长速度不是恒定的，而是随着细胞大小的增加而增加。这些增长率在细胞周期的某些检查点上有所不同，在整个人群的单细胞水平上也有所不同。这些技术可能有助于揭示机械驱动的反馈机制，用于限制变异性并在细胞和组织水平上维持稳态(Kafri等人，2013年).

总的来说，纳米结构能够敏感地测量单个分子和细胞的行为，其大小与这些生物构建块相当，并增强了光学、电子和机械特性。然而，这里描述的一般方案需要与细胞紧密接触，这通常会引发长期测量的生物相容性问题。此外，这些技术需要高度专业化的制造技术和测量基础设施。因此，它们目前在体外测量方面比在体内更有效。

分而治之：高通量生物液滴

另一种获取单分子动力学和单细胞异质性的方法是基于使用微流体将体溶液划分为包含离散数量的分子或细胞的较小体积。例如，可以形成体积为～1 pL（10⁻¹²五十） 或直径～10μm。在这些小尺寸下，试剂的有效浓度增加，扩散距离大大缩短(Leamon等人，2006年;Vincent等人，2010年). 这可能对高通量分析（～10⁹每毫升液滴数），其中必须并行进行大量反应，同时有效使用昂贵的试剂(Guo等人，2012年;施耐德等，2013).

一种装置是基于对平面上液滴的电子操作（数字微流体）(惠勒2008). 可以对液滴进行模块化操作，包括移动、合并、混合、分离和从不同的储液罐分配液滴(图4A). 该方案对于使用非水溶剂的固相或液-液萃取特别有利，因为非水溶剂通常与传统的塑料微流体设备不兼容。例如，可在约10分钟内从1μL组织、血液或血清中直接提取雌激素，无需用户干预，这相当于样本量减少了1000倍，速度增加了20倍(Mousa等人，2009年). 然后使用质谱法对这些分析物进行灵敏的定量。干血斑也可以使用类似的技术进行分析，避免了污染和堵塞问题，这对基于通道的微流控设备提出了挑战(Jebrail等人，2011年).

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图4。

(A类)使用电场可以在开放的几何形状中分配、移动、合并、混合和分裂一毫升液滴。(B类)液滴库可以对抗反应物进行挑战，然后在通道中以超高吞吐量进行分类。发件人惠勒（2008）经AAAS许可重印。复制自郭等（2012）经皇家化学学会许可。

或者，在水滴被油相分隔并排列成单列的情况下，实现了通道几何形状(图4B). 编码不同分析物（如药物化合物、病毒、抗体或酶）的液滴库可以针对细胞或其他反应物进行筛选(Guo等人，2012年). 这些液滴可以通过荧光进行询问，并以大约10的速度进行高速分选⁸每天的水滴。该技术被应用于辣根过氧化物酶的定向进化，该酶产生的突变体的催化速度比母体快10倍以上，速度提高了1000倍，成本降低了100万倍(Agresti等人，2010年). 另一个应用是数字PCR，DNA可以在单分子范围内进行分区，并无偏见地扩增(贝克2012). 液滴微流控面临的一个挑战是如何与宏观世界接轨，无论是分离出感兴趣的单个液滴还是进行高度组合分析(Guo等人，2012年). 解决这些困难的一种可能性是使用片上逻辑和计算(Prakash和Gershenfeld 2007年)用于大规模集成(2007年梅林与地震).

大海捞针：极端临床诊断

血液和其他生物流体对患者健康或疾病状态的大量信息进行编码(2005年调色和虹膜). 与体外测量不同，破译临床相关信息通常需要从极其复杂和异质的蛋白质混合物中分离出某些生物标记物(安德森和安德森2002)或单元格(Mach等人，2013年). 这些有趣的生物标记物可能极为罕见，并且由于总体人口的复杂背景而变得模糊。此外，有效的定点诊断必须快速、准确和低成本，以便为患者提供服务并为临床诊断提供信息(Chin等人2012). 纳米结构是有利的，因为它们的高比表面积可用于通过分子识别过程捕获临床相关的生物标记物。增强的化学和物理特性可以用于检测或分离这些生物标记物。

使用集成微流体芯片从微升量的血液中进行了快速、多重蛋白质组学分析(Fan等人，2008). 开发了一个强大的模块化模式化方案，其中非重叠的DNA连接子组将抗体固定在离散位置(图5A). 这些生物分子在高密度下的高重复性图案对于实现这种多重读出至关重要。然后将这些抗体与二级抗体一起用于夹心分析，从而可以测量具有高动态范围的十二个单独的生物标记物。细胞因子、生长因子和抗原表达的相关性可用于对患者疾病状态进行分层。该方法还用于测量免疫细胞分泌的信号，揭示了单细胞水平上的高度功能异质性(Ma等人，2011年).

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图5。

(A类)用于血液蛋白质组生物标记物的集成条形码芯片。(B类)使用小型核磁共振对循环微泡进行蛋白质分型。(C类)使用磁性纳米粒子对罕见肿瘤细胞进行抗原依赖性和非依赖性富集。(D类)多种合成生物标记物通过肿瘤附近的酶切扩增，然后通过肾脏浓度无创监测疾病进展。经麦克米伦出版有限公司许可转载Fan等人（2008）和Shao等人（2012）.

肿瘤分泌的微泡也被认为是生物标记物(Shao等人，2012年). 利用靶向特定的磁性纳米粒子簇标记微泡，利用基于自旋-自旋弛豫时间（T₂) (图5B;Lee等人，2008年). 与以往进行的整体分析相比，该方法揭示了单个微泡的显著异质性。值得注意的是，这些微泡的蛋白质组特征与原始细胞一致。此外，微泡表达谱追踪药物治疗的疗效，并预测治疗机制的差异。

最近，转移性肿瘤释放到血液中的循环肿瘤细胞（CTC）引起了人们的极大兴趣。然而，CTC极为罕见，在临床样本中与血细胞混合的浓度约为十亿分之一(Yu等人，2011年). 已确定的CTC生物标记物是EpCAM，它由上皮来源的细胞表达，但血细胞中缺乏。“CTC芯片”的一种方法是基于与微/纳米结构相关的增强表面积，以使用EpCAM功能化微柱阵列进行基于粘附的捕获(Nagrath等人，2007年). 该技术经临床验证可用于追踪疾病进展并告知治疗方法(Maheswaran等人，2008年). 然而，在这些长度范围内层流流体流动所带来的一个困难是混合速度相对较慢(Stone等人，2004年)这限制了CTC到捕获表面的运输。第二代“HB-Chip”通过使用地形图案的“人字形”来促进混沌混合来解决这个问题(Stott等人，2010年). 值得注意的是，该技术还捕获了多细胞CTC“簇”，提高了集体或合作行为可能有利于转移性传播的可能性。使用硅纳米线对捕获表面进行额外的纹理处理也证明了卓越的捕获效率(Wang等人，2011年b).

第三代CTC-i芯片基于分离与铁磁性纳米粒子结合的细胞(Ozkumur等人，2013年). 该方法通过惯性聚焦使用确定性粒子排序进行高度控制(Di Carlo等人，2007年)，允许将选定的单元格精确偏转到收集通道中(图5C)在极高的吞吐量下（8 mL/h～10⁷单元格/秒）。这些纳米粒子的小尺寸有利于与CTC上的表面受体有效结合，即使是使用现有免疫亲和技术可能无法捕获的表达相对较低的受体。此外，负缺失方法可丰富不表达既定上皮细胞表面标记物的癌细胞，包括三阴性乳腺癌、胰腺癌和黑色素瘤。这些孤立的CTC表现出与原发肿瘤相似的形态学特征，但在大小上有相当大的差异。通过对15种不同前列腺癌细胞的多基因微流控定量RT-PCR进一步验证了这种单细胞异质性，揭示了上皮、间充质和干细胞生物标记物以及雄激素受体表达可变的不同亚群。这种方法对于监测和指导个性化治疗非常有希望。

生物医学诊断学尚未解决的一个问题是如何在疾病进展期间检测到早期生物标记物。最近，提出了一种定量框架，用于根据生物标志物从肿瘤中的分泌（相对于健康组织）、运输到脉管系统以及随后的稀释、降解和消除来估计生物标志物的可测量水平(Hori和Gambhir 2011年). 一个令人不安的结论是，肿瘤大小与检测限之间存在相当大的不匹配，这意味着需要几年的时间才能诊断出肿瘤。

最近，一种新的方法被证明可以扩增生物标记物，以便更容易检测到它们(Kwong等人，2013年). 使用蛋白酶可清除连接物将合成的、质量编码的肽库连接到纳米粒子(图5D). 在肝纤维化或结直肠癌期间，基质金属蛋白（MMP）等蛋白酶的表达增加导致合成连接物的重复催化裂解，导致尿中肽的释放和浓缩。然后使用质谱对样品进行测试，以对质量编码的“合成生物标记物”进行高灵敏度测量。该方案通过放大初始信号，使用生物上不存在的稳定合成肽（低背景）提高灵敏度，从而克服了传统生物标记物检测的局限性，和多路复用。这一在小动物身上的初步演示显示了在人类身上进一步临床应用的巨大前景。

微流控技术和纳米技术的结合为定点诊断以及用于监测患者的植入式设备提供了新的模式，特别是用于早期检测和测量药物疗效。特别是，带有集成传感器的微流控技术，用于处理血液或唾液等体液，能够以高通量的形式非常可靠地制造，并且非常坚固。纳米结构由于其尺寸较小，可以与分子和细胞组件精确交互，并显示出优异的电子、磁性和光学特性。因此，纳米结构可以大大提高这些分析的灵敏度。然而，这些纳米结构可能需要高度专业化的生产技术，难以扩大规模(方框1). 未来的一个关键挑战将是以足够高的准确性和低成本将这些技术应用于床边或护理点。

躺在指甲床上：使用纳米针进行微创分娩

治疗应用的一个持续挑战是将药物定向输送到细胞和组织中的特定位置。生物屏障，如细胞膜、粘膜层或皮肤，已经发展成为高效地排除未识别物质的屏障。例如，真核细胞膜将细胞内部与周围的细胞外环境隔开，由具有亲水头部和疏水尾部的两亲性脂类组成(德维尔2000). 这些脂质被排列以形成疏水核心区，该疏水核心区限制亲水性和极性分子穿过双层的运输。因此，使用此类分子干扰细胞功能通常需要特殊技术绕过细胞膜，例如电穿孔或递送剂，这可能会对细胞活力产生不利影响。因此，如质粒DNA、siRNA、肽、蛋白质和小分子药物等分子制剂在全身给药时可能无效。具有小直径但高纵横比的纳米结构是一种非常有前途的替代方案，可以绕过这些屏障，将试剂输送到指定的位置。

由直径为～50nm、高度为～1-μm的硅纳米线阵列组成的纳米图案化表面以微阵列形式用多种分子试剂进行功能化(Shalek等人，2010年,2012). 值得注意的是，这些纳米线自发地插入细胞而不诱导细胞凋亡(图6A). 这导致分子制剂（>95%）强有力地进入细胞内部，以引导神经元生长、siRNA敲除、抑制细胞凋亡以及靶蛋白进入细胞器。这些纳米图案表面与现有的印刷技术完全兼容，使“活细胞微阵列”能够高效高通量筛选细胞刺激物。然而，该技术的一个局限性是药物的浓度和释放动力学没有得到很好的控制。另一种方法是基于一系列空心氧化铝“纳米颗粒”，作为邻近储层的流体管道(VanDersar等人，2012年). 储层中分子物种的组成可以使用微流体学来定义，允许分子物种的空间梯度或瞬态脉冲。通过应用空间定位的电脉冲，实现了对分子传递和细胞内转运的进一步控制，使转染效率超过70%(谢等人2013). 未来的工作将有必要探索物理纳米形貌对细胞行为的作用(Kim等人，2012年b)以及确认长期细胞活力。

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图6。

(A类)硅纳米线阵列可以将siRNA传递到树突状细胞内部。溶解聚合物微针(B类)可以将流感疫苗输送到皮肤下的特定位置(C类). 经麦克米伦出版有限公司许可转载Sullivan等人（2010年）。经允许转载Shalek等人（2012年）©2012美国化学学会。

人类皮肤也显示出限制分子运输的屏障特性(Prausnitz等人，2004年). 表皮最外层称为角质层，显示出高度的结构异质性。因此，穿过该层的分子运输必须通过高度曲折的路径进行，并且可能受到强烈阻碍。传递分子制剂的一种方法是使用皮下注射针，通过角质层注射。然而，这是一个痛苦的、高侵袭性的过程，不能自我管理。相反，直径较小的聚合物微针阵列可以无痛地插入皮肤，将药物输送到控制的深度(图6B，C;Sullivan等人，2010年). 这对疫苗接种特别有用，因为免疫原性朗格汉斯细胞通常位于离表面约100μm的地方。这些微针在几分钟内降解，使皮肤重新密封并恢复屏障功能，以防止感染。此外，与传统针头相比，这些微针可以改善小鼠的抗体和细胞免疫反应。这一概念的变体包括多层涂层微针，可用于程序化和持续递送(DeMuth等人，2013年).

交付至邮政编码：用于治疗和诊断的多功能纳米颗粒

载药纳米颗粒也有利于通过延长循环时间和增加吸收并降低其他地方的毒性，将浓缩剂量输送到靶位点(Shi等人，2010年). 粒径似乎在球形颗粒运输中起着重要作用，因为微米级颗粒通常通过巨噬细胞吞噬或肝脏或脾脏中的过滤被清除(Mitragotri和Lahann，2009年). 然而，这些行为也受到物理特性的影响，如形状、力学和表面化学(Nel等人，2009年). 例如，细菌和病毒等病原体表现出独特的不对称和各向异性形状，这使得它们能够与靶细胞发生特定的相互作用，并逃避免疫反应(Yoo等人，2011年). 相比之下，红细胞表现出一种典型的弹性盘状形状，尽管它们相对较大，但可以避免脾中的滤过(斯卡拉克和布兰马克1969). 受这一物理现象的启发，设计出了长而灵活的聚合物胶束，能够长时间循环，吞噬作用极小(Geng等人，2007年). 合成和制造方面的最新进展使仿生纳米系统的设计成为可能，可以协同改进其功能(方框1).

纳米颗粒还可以结合先进的功能，如靶向特定器官和细胞、对外部刺激的反应性、成像能力和药物输送(Bao等人2013). 例如，基于“渗漏血管”中增强的通透性和滞留性（EPR）对肿瘤进行被动靶向治疗(Chauhan等人，2011年)可以通过“主动”靶向癌细胞来补充。例如，肿瘤细胞和血管系统通常显示不同的分子“邮政编码”，短肽序列可以作为靶点(Ruoslahti 2012年). 值得注意的是，某些肽实际上可以深入组织，从而克服升高的间质压力(Sugahara等人，2009年). 这些发现起源于噬菌体展示，并通过靶向纳米材料的成像进一步发展，为体内颗粒材料的贩运提供了新的基础性见解，称为CendR途径(Teesalu等人，2009年).

这种方法在临床上被转化为一种纳米颗粒，它使用血清膜抗原（PSMA）的靶向配体(图7A;Hrkach等人，2012年). 这种纳米颗粒包含一个“隐形”聚合物刷壳，可以限制免疫监视，以及一个可降解的疏水核心，可以装载药物。这些优化的特性在减少肝脏蓄积的同时促进了循环时间。此外，与溶剂型药物相比，这些纳米粒子的肿瘤堆积增加，肿瘤抑制时间延长。在初步的患者试验中，即使纳米颗粒的剂量相对于溶剂型药物减少，也观察到肿瘤缩小。

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图7。

(A类)纳米颗粒由一个可降解的聚合物核心组成，核心内装有药物，药物由带有靶向配体的“隐形”聚合物刷壳保护。(B类)通过局部诱导凝固增强纳米粒子的靶向性。发件人Hrkach等人（2012）经AAAS许可重印。经麦克米伦出版社有限公司许可，转载自von Maltzahn等人（2011年）.

一种特别具有挑战性但极具吸引力的治疗药物是siRNA。原则上，siRNA可以沉默所谓的“无法提取的”靶细胞，但必须反复传递到靶细胞的胞浆中，以使沉默机制参与RNA诱导的沉默复合体（RISC）(Whitehead等人2009). 此外，siRNA容易被血清核酸酶和肾脏滤过降解。纳米材料有潜力通过实现增强有效载荷的靶向传递来解决这些问题，同时在需要时保护siRNA(Davis等人，2008年). 癌症患者使用一种基于转铁蛋白靶向的环葡聚糖颗粒和“隐形”聚合物刷壳的合成给药，已显示出令人兴奋的早期临床结果(Davis等人，2010年). 最近，利用CendR通路开发的穿透肿瘤的纳米复合物已被开发用于靶向关键癌基因，如ID4(Ren等人，2012年). 下一个重要步骤将是增强siRNA的效力，这已通过添加类脂质纳米材料证明，可以同时沉默多个基因(Love等人，2010年). 值得注意的是，纳米材料已被广泛用于沉默与肝功能相关的靶点，包括肝癌、高胆固醇血症、糖尿病II、乙型肝炎病毒等(Whitehead等人，2009年)然而，还需要进行额外的工作，将输送平台扩展到肝脏和肿瘤以外的其他正常和疾病组织。

一个尚未解决的问题是，这些纳米颗粒的附加功能是否会因制造复杂性的增加和体内发生不可预见影响的可能性而产生权衡(Cheng等人2012). 例如，装载多个药物可能会导致交叉反应性和协调释放曲线的困难。或者，考虑到纳米颗粒中可用的有限体积，装载成像剂和治疗剂可能意味着由于两者数量不足而降低疗效。相反，为了增加单个纳米颗粒的复杂性，研究人员设计了合作的纳米系统，在这种系统中，简单、专门的粒子的作用在空间和时间上都是协调的。一种方法依赖于能够通过环境进行通信的纳米粒子来放大肿瘤部位的治疗药物招募(von Maltzahn等人，2011年). 在这个系统中，金纳米棒被动地聚集在肿瘤中，在肿瘤中加热后激活凝血反应(图7B). 这种凝固作用作为靶向凝固环境中存在的转谷氨酰胺酶或聚合纤维蛋白的“受体”纳米粒子的“信号”。与非通信控制相比，这种通信将接收纳米颗粒的积累增强了40倍，相当于每个信号实体35000个分子的扩增。以类似的方式，设计了一个双粒子系统，其中一个纳米颗粒在加热后增加肿瘤的渗透性，并诱导与应激相关的p32表面受体上调(Park等人，2010年). 然后，这些受体被第二个载阿霉素脂质体靶向，从而放大对渗透性肿瘤的治疗传递。这种合作、协同的行为为设计新的治疗策略提供了另一种途径。

讨论

纳米技术为测量生命系统提供了令人振奋的新方法，包括表征独特的表型和丰富临床相关生物标记物，以及干扰生命系统，例如可以克服生物屏障的靶向药物递送方式。这些不同的例子可以概括为生物系统和非生物系统之间信息交流的结构或功能接口。在此背景下，出现了几个关键主题，推动了生物和医学纳米技术的持续发展。首先，纳米技术可以实现从宏观人类到纳米分子和细胞的界面。这些工具可以用于精确检查和干扰种群中的个体，而不是历史上使用的相对粗糙的批量方法。其次，纳米技术基于不同类型信号之间的转换。例如，细胞和组织经常使用离子溶液中的生化信使发出信号，这与人类使用的传统技术有很大不同。然而，纳米材料特殊的化学和物理特性，包括增强的电子、光学和热功能，可用于局部检测或扰动生物现象。最后，许多生物医学应用需要人工纳米材料与生物系统的兼容性。人工纳米材料通常是在对细胞和组织具有高度毒性的条件下合成和制造的。因此，这些人造纳米材料在复杂的生理条件下可能无法按设计发挥作用。在较长的时间内保持人工和生物元素的结构和功能仍然是一个正在进行的研究领域。

展望未来，将这些概念验证技术从受控实验室环境转化为广泛使用将需要广泛的测试和验证。特别是，生物医学诊断必须满足相对较高的性能和准确性标准，尤其是与现有技术相比。另一个挑战是制造业，因为纳米技术系统通常是使用高度专业化的技术合成或制造的，不适合商业规模的扩大。一种方法，让人联想到合成生物学(Cheng和Lu 2012)将开始纳米技术“部件”的标准化，这将使不同研究之间的比较以及这些不同模块组件的集成变得容易。

最后，随着人工纳米技术越来越能够相互作用，以及与生物对应的相互作用，由此产生的行为可能会非常不可预测和违反直觉。例如，人工系统和生物系统之间的信号和反馈机制可能会产生其他情况下无法观察到的紧急行为。尽管如此，利用这种复杂性可以使合作系统能够执行组成部分的单个功能以外的任务。例如，在适当的条件下，可以发生仿生行为，例如放大、优化、映射、自组装、集体运动、同步和决策。最终，系统方法(Csete和Doyle 2002)对人工系统和生物系统之间的相互作用进行建模可能有助于理解模块性、健壮性和脆弱性，从而为生物研究提供信息并指导新的治疗策略。

致谢

脚注

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