纳米医学研究人员设想的长期未来包括极其微小的治疗剂，它们可以在自身动力下智能导航到身体任何部位的特定目标——且仅限该目标。到达后，这些自导引机器可以以多种方式发挥作用——从传递药物有效载荷到提供有关其抗击疾病进展状态的实时更新。然后，在完成任务后，它们将安全地生物降解，不留下任何痕迹。这些所谓的纳米机器人将由生物相容性材料、磁性金属甚至 DNA 细丝制成：所有材料都经过精心挑选，以发挥其在原子尺度上的有用特性，以及它们在不受干扰且不引发任何细胞损伤的情况下穿过人体防御系统的能力。
尽管这一愿景可能需要一二十年才能实现，但医学研究人员已经开始着手解决一些技术问题。其中最大的挑战之一是确保纳米设备到达身体中的目标位置。
波浪动力
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续报道关于塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事。
今天市场上大多数药物很容易通过血液在体内漂浮，无论是直接注射到血液中，还是在药丸的情况下，从胃肠道吸收到血液中。但它们最终会到达需要的地方和可能引起不良并发症的地方。相比之下，复杂的纳米药物被设计为引导到肿瘤或其他问题部位，在那里释放其药物有效载荷，从而减少副作用的机会。
加州大学圣地亚哥分校纳米工程系主任兼杰出教授 Joseph Wang 表示，在短期内，磁场和超声波是引导纳米药物的主要候选方法。在磁性方法中，研究人员将氧化铁或镍等纳米颗粒嵌入到特定的药物中。然后，他们使用放置在小鼠或其他受试者外部的一系列永磁体，通过操纵各种磁场，将金属药物推或拉过身体到达选定的部位。在超声波方法中，研究人员将声波 направляют 到含有药物的纳米气泡，导致它们爆裂，其力量足以使气泡的货物深入目标组织或肿瘤。
去年，英国基尔大学和诺丁汉大学的医学研究人员在旨在治疗骨折的工作中，为他们的磁性方法增加了一个有益的改进。他们将氧化铁纳米颗粒附着到单个干细胞上，然后将制备物注射到两种不同的实验环境中：胎儿鸡股骨和由组织工程胶原水凝胶制成的合成骨支架。一旦干细胞到达骨折处，研究人员就使用振荡的外部磁场快速改变纳米颗粒上的机械应力，从而将力传递到干细胞。这种生物力学应力帮助干细胞更有效地分化成骨骼。两种情况下都发生了新的骨骼生长——尽管总体愈合不均匀。基尔大学科学与医学技术研究所的博士后研究员 James Henstock 表示，研究人员最终希望，在氧化铁修饰的干细胞中添加各种生长因子将使修复过程更加顺利。
自主纳米药物
磁性和声学方法的主要缺点是需要外部引导（这很麻烦），以及磁场和超声波只能穿透身体一定深度。开发用于输送治疗货物的自主“微型马达”可以克服这些问题。
这种微型马达将依靠化学反应来推进，但毒性是一个问题。例如，氧化葡萄糖（血液中发现的一种糖分子）会产生过氧化氢，过氧化氢可以用作燃料。但研究人员已经知道，这种特殊的方法从长远来看是行不通的。过氧化氢会腐蚀活体组织，而且体内葡萄糖不会产生足够的过氧化氢来充分驱动微型马达。更有希望的是努力使用其他天然存在的物质，例如胃酸（用于胃部应用）或水（血液和组织中含量丰富）作为动力源。
然而，这些自推进设备进行精确导航可能是一个更大的障碍。仅仅因为纳米颗粒可以移动到任何地方，并不意味着它们必然会精确地移动到研究人员希望它们去的地方。自主转向目前还不是一种选择，但一种变通方法是确保纳米药物仅在发现自己处于正确的环境时才变得活跃。
为了实现这一技巧，研究人员已经开始使用合成 DNA 形式制造纳米机器。通过对分子的亚基进行排序，使其静电荷迫使分子折叠成特定的构型，科学家可以设计出能够执行各种任务的结构。例如，芝加哥大学化学教授 Yamuna Krishnan 说，一些 DNA 片段可能会将自身折叠成容器，这些容器只有在包裹遇到对疾病过程重要的蛋白质或遇到肿瘤内部的酸性条件时才会打开并释放其内容物。
Krishnan 和她的同事设想了由 DNA 制成的更先进的模块化实体，这些实体可以被编程用于不同的任务，例如成像甚至组装其他纳米机器人。然而，合成 DNA 非常昂贵——成本大约是用于输送药物的更传统材料的 100 倍。 Krishnan 说，因此，就目前而言，价格阻碍了制药公司将其作为治疗候选药物进行投资。
所有这一切可能与建造一支让人想起 1966 年电影《神奇旅程》中“普罗透斯号”的智能潜艇舰队相去甚远。尽管如此，纳米机器人最终还是朝着那个方向发展。