我国纳米生物医药科技发展的战略思考
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科技日报
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多元纳米电极阵列和 DNA或蛋白质功能化阵列
纳米DNA诊断 实时检测仪 纳米科技的迅速发展将极大地促进科学技术的重大发展和革新，引发信息技术、生物技术、生态环境技术等领域的技术革命和跨越式发展，并将可能带动下一次的工业革命。纳米科技将可能与生物技术一道促进新兴产业的发展，是未来高技术产业的制高点和国民经济的动力源泉。据权威的研究报告显示，2000年纳米技术对全世界GDP的贡献为4000亿美元，预测2010年纳米技术对美国GDP的贡献将达到10000亿美元，日本纳米技术的国内市场规划也将达到273000亿日元。因此，纳米科技的发展将在21世纪对社会、经济发展、国家安全以及人们的生活和生产方式带来巨大的影响。
国际纳米科技竞争日益激烈
1.国际纳米科技发展新特点
自2001年以来，各国政府在实施国家纳米科技的发展战略和计划中取得了宝贵的经验，进一步明确了纳米科技发展的战略图，建立了国家层面的协调与指导机构，整合了研究队伍、建立了公共研究与开发平台。通过执行国家级的纳米科技计划和重大项目，纳米科技的研究与开发工作取得了重要的进展，研究成果引起了大企业或公司的密切关注，为主导将来的产品市场，大企业或公司加强了与产品有关的应用研究，非政府投资基金与风险基金在纳米科技研发和有关企业的投资大大增加。在全世界的范围内，国际合作有所加强，发达国家仍然是纳米科技发展的主要力量。国际上纳米科技发展的新趋势可总结为以下几点：
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政府投入明显增加：美欧和亚太地区各国政府在2002年投入纳米科技的研究经费与2001年相比平均增长40%。为有效地使用研究经费，协调各部门的研究项目，有些国家建立了官方的指导、协调机构或采取立法的形式，规定了后三年内的政府投入，如美国参议院在2003年3月通过立法规定了美国在2003-2005年期间，政府在纳米科技的总投入为23.6亿美元。
基础研究发展势力强劲，应用与开发明显增长，专利战已提前开始：各国政府在重视基础研究的同时，加强了纳米技术应用与开发研究，鼓励利用纳米技术改造传统产业工艺和形成新生产业，并通过具有独享性的专利技术占领国内外市场。从反映纳米科技基础研究的SCI论文数量情况来看，纳米科技方面的研究论文在此期间有了明显的增长。根据对自1997年1月至2003年7月各国有纳米科技的论文数的检索结果，2003年前7个月的论文总数已超过了2000年全年的数目；自1999年后，全世界发表论文的前13个国家或地区的论文总数以年增长率约30%增加。1997年全世界的国际纳米科技专利总数约89000件，在所有的专利中，化学/催化/制药方面为18784件，2000年后专利数明显地增长。
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企业投资快速增长：全世界在2002年企业或非政府的渠道在纳米技术领域的总投资达到20亿美元，超过了政府的净投资12亿美元。在全球“财富”杂志500强中，有200余家企业集团在不同程度上参与了纳米科技产业化的竞争。同时，风险基金投资于纳米技术领域逐年增加，每年约增加30%。2002年风险基金投入在纳米技术上的投资量为10亿美元，比2000年的投资量增加一倍。通过对纳米科技的R＆D的投入，跨国企业获得的纳米科技专利在近两年有明显的增加。
2.国际纳米生物医药科技发展重点
从2000年开始的美国国家纳米技术行动计划，是美国将纳米科学技术提升到革命性高度的重要标志，除了用于航空、航天遥测制导领域，纳米生物技术是重点研究领域，其中将纳米生物医药列为了突破重点。美国国家卫生研究院(NIH)2001年专门组织了“纳米科技与生物医学”的研讨会，具体讨论了当前纳米生物学的发展状况和应用前景，提出了包括基本技术和方法、疾病早期检测、纳米仿生、组织工程中关键纳术技术、人机通讯中的纳米技术、纳米药物输运和治疗等前沿领域，得出了“纳米科技将导致新的生物学和生物工程”的结论。NIH在2002年度科研项目计划中，超过50%的经费是针对生物恐怖的，其中多数的项目完成希望借助纳米技术。美国国家癌症研究所(NIC)的计划，目前非常重要的方面是希望借助纳米技术，主要包括纳米颗粒材料技术以及纳米传感器技术，形成一些新的、针对恶性肿瘤的早期诊断与治疗技术。另外一些有影响的成果包括碳纳米管做成人工耳蜗式的听诊器、基于Dip-Pen技术制备成功蛋白质分子的纳米阵列、应用于组织工程的多肽分子自发组装形成的三维网状纳米纤维、单DNA分子马达、羟基磷灰石人工骨表面合成肽等。
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欧盟2002年正式推出了第6框架计划(2002-2006年)，将致力于增强纳米科学方面的国际地位，旨在将科学发展的成果转化为产业界的实际竞争优势。纳米生物技术的研究重点包括先进的药物传递方式、具有生物实体的纳米电子学、生物实体的界面、生物实体的电子探测、生物分子或复合物的处理操纵和探测。
英国政府2001年决定增加1800万英镑，加强纳米技术领域的合作研究，在两个新建的纳米技术合作研究组织中分配。一个由牛津大学牵头，主要从事生物纳米技术研究；另一个由剑桥大学牵头，主要从事纳米技术研究。例如，诺丁汉大学在现有的扫描探针显微镜的基础上发展了一系列的表面成像和高分辨率显微镜，其研究内容主要是分子的动力学行为和由于环境变化而对分子的结构和功能所产生的变化。在分子间作用和界面性能方面，他们利用光镊进行了分子力的研究、利用等离子激光共振结合近场光学显微术进行了界面上化学和分子反应的空间分析，并且借助于低温原子力显微镜对单个蛋白分子进行了超高分辨率成像研究。
德国新研究计划的目标是开发出新的微型功能产品，重点之一是研制出用于诊疗可摧毁肿瘤细胞的纳米靶向给药系统、用于诊断受感染的人体血液中抗体形成的纳米生物传感器、用于治疗癌症和各种心血管疾病的有关纳米器件。已经在纳米粒子治疗癌症方面取得了重要进展，将纳米粒子通过生物亲和物包裹，外接一定的抗体，通过抗体能够准确地找到肿瘤细胞的位置。
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日本实施“纳米科技综合支援计划”，意在最大限度地发挥各科研机关的潜在能力，组织联合攻关，建设特殊研究设施等措施，促进纳米技术研究的发展。纳米生物技术重点领域包括对体内病灶进行诊断和治疗的微小系统、仿生材料、观察各种生物现象及应用生物机制的纳米技术。厚生劳动省在2002年度的预算案中首次核算了13亿8400万日元用于纳米医学领域研究费用，指定课题包括：通过使用纳米尺度的表征测量技术解析蛋白质等生物分子，用于医疗诊断；手术用机器人等面向未来医疗设备的纳米尺度器件；药物输运系统等。值得注意的是，日本政府从2002年度起专门实施了“纳米医疗器械开发计划”，开发毫米级的内窥镜等各种微型医疗器械，力争5-10年后达到实用化水平。具体项目主要有：直径1毫米的微型内窥镜以及能够达到体内深处的其它微型医疗器械、能够观察蛋白质活动状况的超精细细胞图像装置、能够高效地把药物送到病灶细胞的给药系统等。
3.纳米生物医药技术的突破
①在分子生物学上产生重大突破
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通过应用纳米技术，在DNA检测时，可免去传统的PCR扩增步骤，达到快速、准确。
美国NASAAmesCenterforNanotechnology将碳纳米管用于基因芯片，可以在单位面积上连接更多的探针，与传统的基因芯片相比，它具有无可比拟的优点：
●无需进行标记；
●敏感性更高，样本需要量低于1000个DNA分子；传统DNA检测的样本需要量超过106个DNA分子；
●需要的样品量更少，可以免去传统的PCR扩增步骤；
●结果可靠，重复性好；●操作简单，易实现检测自动化。
其基本原理是：连接在碳纳米管上的DNA探针通过杂交捕获特异性的靶DNA或RNA，靶DNA或RNA中的尿嘧啶将电荷转到碳纳米管电极，电荷的转移通过金属离子媒介的氧化作用变成信号并放大。
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②更灵敏的传感器
由美国国防部资助开发的单壁纳米管传感器，各种性能大大超过传统的传感器，已应用于反恐和战地快速检测：
●对NO
2等气体的检测值可达
44ppb，而传统传感器只能测到ppm级，灵敏度提高20倍以上；
●能耗低于1mW，传统传感器能耗则以Watt计；
●重复性和可靠性更高；
●所需的成本更低：传统传感器需大约40美元，而现在不到5美元。
③已上市的纳米医用仪器纳米无创注射器
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应用功能化纳米管阵列研制的无创注射器，由于直接进入人体的是纳米管，注射时不形成伤口、无痛。该产品可用于无创检测和给药。
纳米多功能检测仪
该仪器装有纳米管或纳米线构成的多元传感芯片，可通过呼吸或尿样检测血糖、HbAg等多种指标，既达到采样无创、检测快速，而且操作简便，省去了传统检测需要的多种设备。
纳米DNA诊断实时检测仪
此仪器以纳米电极为核心技术，形成DNA或蛋白质功能化阵列，可实时进行DNA或蛋白质检测。由于免去了纯化、扩增和标记等步骤，检测时间由2~4周减少为数分钟，不需要昂贵的激光仪器显示结果，而且非常容易与其他电子设备结合使用。
④纳米粉粒用于快速、高效消毒试剂
, http://www.100md.com 纳米颗粒具有巨大的比表面积，一盎司纳米粒的表面积相当于一个足球场大小。因此，纳米粒的表面活性很高，吸附力极强。目前已开发出用于战地防生化武器的快速、高效消毒剂。
我国纳米生物技术水平
已在国际社会具有竞争力
1.我国纳米科技的竞争力
2000年11月在国家科技部主持下成立了国家纳米科技协调与指导委员会。随后，国家科技部、国家计委、教育部、国家自然科学基金委员会和中国科学院五部委联合对我国纳米科技的发展现状、优势领域和存在的问题、发展战略和布局等问题进行了研讨。围绕如何发扬优势突出重点方向，作到“有所为和有所不为”，并在国家层面上，尽量协调国内的纳米科技工作，制定了“国家纳米科技发展纲要(2001—2010)”。国家“十五”863计划开设了生物工程技术主题下的“纳米生物技术专题”和在新材料领域重大专项内设立了纳米生物技术重大课题，国家自然科学基金委员会安排了纳米面上项目和重大项目，教育部等部委亦安排了纳米专项，国家已拨经费超过3亿元。2003年7月29日到30日在湖南长沙召开了国家科技部863高技术生物工程与现代农业发展战略会议，承担纳米生物技术专题的课题负责人和有关专家到会汇报并对我国纳米生物技术的未来发展重点进行了专门研讨。
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我国纳米生物技术前沿研究
在纳米科技国际竞争的大环境中，我国在某些方面具有比较优势。第一，纳米科技的研究力量基本形成，我国是世界上少数几个从上世纪90年代就重视纳米材料研究的国家之一，已形成一支在国际上有影响的、高水平的研究队伍，也形成了几个具有一定水平的研究基地。第二，我国具有多种发展纳米材料的矿物资源和生物资源。第三，我国具有巨大的潜在市场。这些因素将有利于提高我国的竞争力。
目前，我国从事与纳米科技有关工作的人员约为5000人，大部分集中在高等院校和中国科学院有关院所，部分企业的科技人员也参加了纳米科技的应用技术开发工作。我国在纳米科技领域除在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面与发达国家有明显差距外，在纳米材料及其应用、隧道显微镜分析和单原子操纵等方面和国际水平相接近，在某些领域内达到了世界先进水平。我国纳米科技的研究计划、研究成果和研究队伍日益受到各国的重视，形成了一支具有中国特色的、不可忽视的力量。
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政府投资日益增加，自1999年到2002年间，国家各部门加强了对纳米科技的支持强度，在基础研究和应用研究方面的国家投入，每年上升100%。
在“国家纳米科技发展纲要”中较明确的规划了我国纳米科技发展的路线图，规定我国在目前、中期和长期的研究和开发任务，在国家层面上进行指导与协调，集中力量、发挥优势在几个方面取得重要突破。
我国纳米科技研究的起步时间早，目前已有很好的研究基础和研究力量。基础研究、特别是纳米材料的基础研究论文数已进入世界先进行列。
纳米科技的应用与开发工作得到了加强，863专项、攻关计划及对高新技术企业的扶植，使纳米科技与市场需求的结合更紧密。国内专利申请已达到一定水平，在国际专利的申请方面，据英国ThomsonDerwent专利资料，2000年各国纳米专利申请数，美国居第一位，占32%，日本为第二位，占21%，中国排名第三，占12%。
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我国已有数百家企业从事纳米科技的产品开发和生产，为纳米科技向产业界的转化提供了基础。但以企业规模，产业的科技含量，产品的市场前景等为标准，我国纳米产业或企业仍待加强，目前在亚洲居日本、台湾、新加坡、韩国之后，占据第五位。
2.新进展
“十五”期间在国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家高技术研究发展计划(863计划)和国家科技攻关计划三大科技计划和其它相关研究计划中全面部署和安排了纳米生物医药科技的研究工作。“十五”863计划设立了纳米生物技术专题和纳米材料与微机电系统重大专项。“十五”前两年，在生物医药领域的研究已取得一定的进展。
恶性肿瘤治疗用纳米磁性材料与相关应用技术项目完成了磁性材料的研制及其理化性质的表征。研制的纳米磁性流体在水中有很好的分散性和稳定性。Fe3O4/Au纳米颗粒乙型肝炎病毒DNA探针的制备与应用项目制备了水相中分散良好的Fe3O4纳米颗粒，并在其表面还原生成了金壳层。纳米药物载体治疗人体恶性肿瘤技术项目完成了纳米载体制备工艺、生物学特性分析、药效学实验，建立了磁纳米粒、海藻酸钠纳米粒和阿霉素链接技术平台，制备了磁纳米粒阿霉素载体、海藻酸钠纳米粒阿霉素载体，药物的包封率达到90%以上，已进入临床前试验研究。制备了可生物降解的PLA-PEG-PLA纳米载药颗粒，组织相容性良好，无炎症和排异反应。
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我国纳米生物技术在临床医学应用
卫生部纳米生物技术重点实验室承担的国家“十五”863计划重大专项课题“可降解、生物相容性的纳米骨材料”，在与美国伯克利先进生物材料公司的共同研发下，攻克了生产工艺、质量标准、稳定性和检测规范等关键技术，在获得美国FDA批准用于临床治疗后，日前获得中国国家食品药品监督管理局批准，同意进入临床试用，这是首项批准可进入临床应用的纳米生物技术产品。粉碎性骨折、骨肿瘤后由于骨缺血坏死形成缺损，以往只能采取自体骨如髂骨、腓骨、肋骨来填充。研制的纳米骨材料可注射和自成型，填充各种类型的骨缺损，具有很好的重塑型，而且无毒、组织相容性好，来促进骨组织生长和功能恢复。植入体内数周后，充填的纳米骨材料的网状结构内可生长出很多新生的骨细胞，而充填的纳米骨材料完全降解消失，骨缺损部完全被新生骨取代。
基于纳米晶生物探针的免疫层析检测技术项目，完成了可满足免疫层析技术要求的磁性纳米晶的规模合成，现已形成每年5L磁性纳米晶溶胶的生产能力，可以满足1亿条免疫试纸的生产配套要求。纳米盒放大技术的电化学DNA传感器研究，提出了“多级三维双放大”的概念，采用循环伏安法(CV)、差分脉冲伏卜ǎ―PV)和原子力显微镜研究了一种基于纳米金标记DNA探针的电化学DNA传感器的杂交信息放大方法。通过纳米放大技术的可视化基因诊断芯片研究，为肝炎临床诊断芯片研究提出了新的方法。
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纳米微粒靶向诊断与治疗技术项目建立了h-钙调蛋白结合蛋白与纳米氧化铁联接技术平台，制备的纳米级四氧化三铁蛋白微粒大小在25nm左右，并能靶向标记骨肿瘤细胞。研制的可控交变磁场治疗仪已完成产品技术标准和临床前试验。
药物及治疗基因纳米粒制剂的研究与开发项目完成了注射用盐酸米托蒽醌(阿霉素)纳米粒冻干注射剂的制备工艺和制定了质量标准，已完成了临床前试验，正在申报临床。生物工程药物的纳米载体技术研究采用纳米加工技术对传统工艺进行改造，新工艺生产的头孢拉定粉体与传统工艺相比，颗粒分布均匀，粒径减少，生物利用度有很大的提高，成本降低，由此而产生的年产值达2亿元以上。
纳米制剂的生物合成及其应用研究项目以海南省盛产的椰子为材料，完成了纳米微生物纤维素的生物提取工艺和分离纯化、表征等技术，获得的纯纳米微生物纤维素粒度D50在80-150nm范围，已完成了中试，进入临床前试验。
纳米技术在现代中药制剂中的应用将利用纳米技术改造传统制剂加工工艺，提高中药的生物利用率和疗效。雷公藤纳米载体和剂型研究与开发项目通过纳米技术开发雷公藤的新剂型，着重解决降低雷公藤的毒性问题，即如何拉开雷公藤的治疗窗。已研究了SLN(固体脂质体纳米粒)、PNP(聚合物纳米粒)、微乳、分子凝胶等四种技术，建立了可用于制备纳米药物载体的技术平台，雷公藤甲素的检测方法已建立，雷公藤甲素固体脂质纳米粒的初步质量检测标准也已确定。
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存在的问题与展望
从目前我国纳米生物医药工作整体部署和具体实施状况看，有些研究方向存在分散重复现象，有些研究方向工作较为薄弱，与世界先进水平比较相距较远。研究群体目前也比较分散，缺乏有良好研究成果的研究基地，缺乏真正开放、世界一流水平、配套齐全的高水平公共技术平台；诸如科技文献、相关研究资源共享环境建设、项目组织和管理方式方法、对纳米科技投入等等方面还不尽人意。具体表现在重大的原创性、应用开发和工程化研究成果不丰富；纳米科技基础设施投入不足，实验室整体装备水平有待提高；调控手段很弱，对高水平研究基地及人才难以有足够强度培育和支持，缺乏对相对分散研究群体和研究工作的有效组织和协调手段，各研究单位或项目负责人信息交流与研究工作的协调急需加强。需要我们加倍努力工作去克服弊端、创造条件、推进改革和创新，开创纳米科技工作新局面。
纳米生物技术在医学临床的应用将会非常广泛，纳米药物载体应用于恶性肿瘤的靶向性治疗将成为一种新的诊疗方法，纳米基因载体将推进基因治疗的临床应用。纳米探针诊断技术和纳米磁珠细胞分离技术已在临床和生物技术产品开发中广泛应用，纳米生物材料作为人体内植入物和应用于组织工程将解决传统材料在临床应用的许多弊端，纳米技术改造传统药物和中药加工工艺将在很大程度上提高中医药的治疗效果。初步估计我国医药市场在这方面的需求量每年将超过50亿元。
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我国目前研究主要集中在纳米颗粒材料在医学诊治应用的研究，包括利用纳米颗粒结合载药进行相关的生物靶向技术、用作医学诊断的造影剂研究，同时借助有关外加磁场设备，用于诸如肿瘤的治疗等；利用纳米技术发展药学，基于超细材料及纳米技术提高药物生物利用度、降低毒性，包括剂型(靶向药物)及药理研究、纳米技术改造中药传统加工工艺；生物医学传感器与生物芯片，纳米技术发展医用材料方面的研究，包括纳米骨材料、抗菌、组织修复、器械等；纳米生物技术中有关对生物纳米结构及其构效关系、操纵等的研究，纳米(颗粒)材料在生物分子识别(检测)、分离、筛选以及医学临床检测等方面应用的研究。
在“十五”计划后三年，我国纳米生物技术发展的总体部署和研究重点须以市场需求为导向，集中优势科研资源和技术力量，重点研究纳米磁性材料及其生物医学应用技术、纳米材料的生物安全性、生物医学诊断与治疗纳米器件(包括细胞分离)、纳米材料及技术在医用材料研发的应用、纳米技术改造传统药物与中药制剂加工工艺、功能分子组装技术(包括基于DNA的纳米芯片技术)等，争取在一些领域取得突破性进展。
专家简介
张阳德教授，自20世纪90年代初开始致力于临床医学工程课题研究，取得了两项具有原创意义的成果，即定向微爆破碎肝胆管内结石和大肠早癌激光诱导自体荧光内镜下诊断系统，均获得湖南省科学技术进步一等奖。1994年开始的阿霉素磁性纳米粒治疗肝癌技术取得了突破性成果，积极推动了我国纳米生物医药技术的发展。现任中南大学生物医学工程研究院院长，卫生部纳米生物技术重点实验室主任，卫生部肝胆肠外科研究中心主任，湘雅医院外科主任、博士生导师，国家科技部纳米科技重大专项专家委员会纳米生物和医药组成员，国家“十五”863计划第一届专家委员会主题专家。, 百拇医药(张阳德 )