醫學

奈米醫學大未來

21世紀科學界閃亮巨星的奈米科技,如何應用在熱門的生物醫學領域呢?

撰文/阿利維撒托斯(A. Paul Alivisatos,美國加州大學柏克萊分校化學系教授)
翻譯/潘震澤(美國韋恩州立大學生理學博士、陽明大學生理學研究所教授)

醫學

奈米醫學大未來

21世紀科學界閃亮巨星的奈米科技,如何應用在熱門的生物醫學領域呢?

撰文/阿利維撒托斯(A. Paul Alivisatos,美國加州大學柏克萊分校化學系教授)
翻譯/潘震澤(美國韋恩州立大學生理學博士、陽明大學生理學研究所教授)

對看電影的人來說,1966年的「聯合縮小軍」是奈米科技(nano-technology)在醫學應用上的一場饗宴,也是大膽的願景。片中一群無畏的醫生以及他們乘坐的高科技潛水艇,透過神秘的方式縮成微型大小,送進一位受傷病人的血液循環中航行,以除去威脅病人生命的腦中血塊。過去36年來,在愈來愈小的尺度上製造複雜器械的努力,已有大幅的進展,也讓不少人相信,類似該影片的醫學介入方法是可行的;不用多久,微型的機器人就可能在每個人的血管當中巡弋。的確,這種想法在某些領域受到過度慎重的考量,以至於有關這種技術的黑暗面,也浮上了檯面;譬如說,可不可能有奈米大小、又能自我複製的自動機器發起瘋來,摧毀了整個生物界?【圖說︰畫家筆下的有機樹狀體,大小可在一個蛋白質分子左右。樹狀體當中藏有許多內在空間,被看好是輸送藥物的工具。】


我的看法和大多數的研究人員相同,那樣的場景還屬於科幻世界。不過,奈米科技確實具有改變生物醫學研究工具的能力。譬如說,在發掘新藥的實驗中,提供新的標誌方式;或是顯示細胞在不同情況下,有哪一批基因受到活化等。更進一步,奈米尺度的器械還能在快速篩檢診斷及基因檢測中,扮演一角,從而顯示某人對不同疾病的敏感程度,或是有哪些特定的基因在病人的癌細胞中出現突變。在非侵入式的顯影技術上,研究人員也想利用它們作為加強對比的物質,以及當作投藥的載具。這些新興科技在賣相上,比起電影中血小板大小、手持雷射槍轟去凝血塊的女星拉寇兒薇芝,可能不是那麼養眼,但其戲劇性卻是一點也不遜色;因為它們提供給病人以及研究人員的好處,可是貨真價實的。


奈米科技究竟如何做到這些呢?答案則取決於不同人的定義。嚴格說來,所有的生物學都屬於奈米科技。再怎麼說,就算最複雜的生物也是由微小的細胞所構成;細胞本身就是由奈米尺度的建材所組成,像是蛋白質、脂質、核酸及其他的複雜生物分子。但根據慣例,「奈米科技」這個名詞一般只用在人造物品,好比說以半導體、金屬、塑膠或玻璃所製的產品。少數奈米尺度的無機構造,像是微晶體,已經商品化了;其中出名的是對比劑。


磁性的吸引力


大自然為無機晶體在生物上的應用,提供了一個美妙的例證,那就是不起眼的磁感細菌(magnetotactic bacteria)。這種生物生活在水中以及水底爛泥裡,只在一定深度的水域或沉積物中才活得好。太淺了,氧的濃度太高,不為它們所喜;太深了,氧又不足。偏離了理想深度的細菌,就必須游回原來的位置。因此,如同它們的許多近親一樣,這種細菌會揮動鞭子般的尾部,向前推進。由於重力對這種浮游的細胞可以說沒什麼作用,那它們又如何分辨上下呢?


答案是這些細菌體內固定 有一串約20個磁性晶體形成的鏈狀構造,每個晶體大小在35~120奈米之間。這些晶體連在一起,就構成了一個微型羅盤。由於地球上大多數地區的磁場是傾斜的(在北半球,磁場不只是往北指,還向下指;在南半球則是向上指),磁感細菌可以根據磁場的上下方向,而到達它的目的地。


這種羅盤是自然界奈米工程的奇觀。首先,它以完美的材質製造,不是磁鐵礦就是等軸磁硫鐵礦,都是高度帶磁性的鐵礦物質。會用上多個晶體,也絕非偶然;在那麼微小的尺度下,磁性顆粒愈大,磁性保持得也愈久。但如果顆粒變得太大,又自然而然地會形成兩個分離的磁區,各有相反的磁性;這種顆粒並沒有多少整體的磁性,無法成為有效的羅盤指針。藉由選擇大小剛好,具有穩定、單一磁區的晶體來當作羅盤,這些細菌對於所選用的每一分鐵質,都做了最佳應用。有趣的是,我們在設計電腦硬碟儲存用的介質時,採取了一模一樣的策略:使用大小適中,既穩定又堅固的磁性奈米晶體。