随着纳米技术在实验室和临床试验中用于将药物输送到目的地，科学家们对哪种纳米颗粒最终可能最有效地在全身运输多种不同的抗癌疗法，有了一个惊人的发现。
传统的观点是，越小越好。但根据北卡罗来纳大学教堂山分校（U.N.C.）化学教授约瑟夫·德西蒙领导的一个科学家团队的研究，这可能并非如此。德西蒙和他的同事们已经证明，这些微观药物载体的形状比大小重要得多，甚至可能决定药物是否能有效地穿透靶细胞，或者最终成为靶标本身，被免疫系统摧毁。
虽然逻辑上讲，粒子越小，就越有可能渗透到细胞膜，但研究人员发现，由于免疫系统对它们的反应方式，棒状粒子能够比其他形状更快地进入细胞。“很明显，”德西蒙说，“尺寸和形状之间存在着一种以前没有确定的作用。”
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这项研究本周发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上，表明棒状颗粒（直径150纳米，长450纳米）穿透人体细胞的速度大约是尺寸更均衡的颗粒（如200纳米×200纳米）的四倍，并且在细胞内移动的距离更远。一纳米等于一英寸的400亿分之一。
加州大学圣巴巴拉分校化学工程教授萨米尔·米特拉戈特里说：“如果回到10年前，问一下[开发治疗颗粒]最重要的参数是什么，人们会立刻想到颗粒的大小，然后是其表面化学性质。”米特拉戈特里开发了不同形状的微观颗粒，并测试它们输送药物的能力，但与德西蒙的研究无关。“现在人们意识到形状也会产生影响。”
人们的希望之一是，一旦纳米技术被证明是安全有效的药物输送系统，就可以将携带药物的高浓度纳米颗粒直接注射到身体最需要的地方，并利用它们的形状快速发挥作用。例如，能够用任何有机材料制造各种形状的颗粒，可以使患有类风湿性关节炎或克罗恩病的人通过单次注射而不是通过两小时的静脉输注类克来获得药物。“你想要在需要的时候把它送到你想要的地方，而不会浪费它。”德西蒙说。
以特定方式成型的纳米颗粒也可能使药物远离可能对其造成损害的器官，从而提高某些药物的安全性。“我们已经证明，我们的直径为200纳米，高度为200纳米的圆柱形颗粒在动物的肾脏中摄取量很低，”德西蒙说，并补充说，目前尚不清楚为什么形状会影响肾脏的摄取。研究人员希望，其他形状，例如直径为80纳米，长度为500纳米的柔性蠕虫状纳米颗粒，性能会更好。
那么，为什么特定的形状效果更好呢？一方面，棒状或蠕虫状颗粒比球形颗粒更难被身体的免疫系统排斥。“巨噬细胞会吞噬异物颗粒并将其清除出循环系统，它们喜欢吞噬不需要它们膨胀太多的物体，”米特拉戈特里说。“如果巨噬细胞从侧面靠近这些蠕虫状颗粒，它们必须膨胀很多才能吞噬它们，而它们不喜欢这样。”巨噬细胞不太可能附着在细长颗粒的尖端，因为末端仅占颗粒总表面积的一小部分，他补充说。
“我们认为，蠕虫状颗粒对于巨噬细胞来说很难吞噬和清除，”德西蒙说，“因为已知巨噬细胞难以吞噬这种丝状物体。更具球形对称性的颗粒可以被巨噬细胞一举吞噬，但对于这种丝状颗粒来说就更加困难。”
在克里斯蒂安·梅兰德看来，德西蒙及其团队的发现是纳米技术在药物输送方面的应用中一个令人惊讶但受欢迎的进展。梅兰德是北卡罗来纳州立大学罗利分校的有机化学助理教授，他一直在研究使用金纳米颗粒来协助输送一种正在开发的艾滋病毒（人类免疫缺陷病毒）治疗药物，并帮助该药物附着在T细胞外的受体（嵌入细胞膜中的蛋白质分子）上，以保护它们免受艾滋病毒侵害。
尽管梅兰德及其在北卡罗来纳州立大学和科罗拉多大学博尔德分校的同事使用无机物质（金），并且无法改变他们所使用的颗粒的形状，但梅兰德表示，德西蒙的工作“展示了大多数人无法预测的颗粒输送方面的见解。这也表明，在这一领域还有很多基础研究要做。”梅兰德的团队没有参与德西蒙的任何工作，目前正在测试他们的金纳米颗粒穿过血脑屏障模拟物的能力，该屏障阻止许多物质从血液进入大脑。
为了帮助他们的技术更快地进入制药公司手中，德西蒙和他的同事们制造了一种装置，可以使用模具批量制造不同形状的纳米颗粒，这些模具像冰块一样弹出这些颗粒。非润湿模板中的粒子复制 (PRINT) 技术帮助德西蒙在今年 6 月赢得了 50 万美元的莱梅尔森-麻省理工学院奖。“我们使用光刻技术制造一个晶片，该晶片将成为（纳米颗粒的）主模板，”他说。“从那里，我们能够制造数千英尺长的模具。”
自 2005 年以来，德西蒙和他的同事们就能够制造这些微型模具，并当时在《美国化学会杂志》上发表了一篇论文，描述了他们的工作。这些模具只有 0.04 英寸（1 毫米）见方，产生的具有受控尺寸和形状的纳米颗粒很少。然而，“我们现在能够以经济高效的方式制造多平方米的模具，这使我们能够制造数百毫克的各种形状和尺寸的纳米颗粒，从而使我们能够探测生物系统，”德西蒙说。
下一步是由Liquidia Technologies（德西蒙于 2004 年与一群北卡罗来纳大学的研究人员共同创立的北卡罗来纳州公司）完善印刷方法并扩大生产规模。Liquidia 制造了一台机器，每天可生产数十克纳米颗粒，该公司希望每天能够生产数公斤的纳米颗粒。他希望到 2009 年年中能够配备美国食品药品监督管理局批准的设备，以生产这些纳米颗粒，并在不久之后进入临床试验。德西蒙的研究清单上的首位是siRNA（短干扰 RNA）分子，这些分子可能能够阻止癌细胞产生使其危险的蛋白质，以及抗癌药物多西他赛、顺铂和阿霉素。