纳米技术开始成为视神经以及眼科遗传学等神经再生研究领域的科研利器。

文/Bruce Wilson  自由专栏作家  译/廖雅静

对大多数人而言，提到“纳米技术”一词，所触发的第一印象是能够深入到细胞内部，直接在病变分子上进行显微手术操作的非常微小的机器人，万一对它们的操作不当，导致脱离人类的控制，这些机器人就会以惊人的速度侵食地球，成为覆盖地球表面的一层厚厚的灰色粉末。

虽然这些想象中的图景只是科幻小数的套路，但是对纳米科技在医学应用中的探索行为确实可以称得上是意义重大的冒险，而这些探险产生的回报已经逐渐的呈现在我们的面前。去年，美国国立卫生研究院（NIH）创立了4个纳米医学研究中心，并且于今年再次追加了一个。2006年，在弗罗里达州罗德贷堡召开的视觉及眼科研究协会议会中，纳米技术被提上了议事日程，与会的研究人员集中讨论了它在眼科研究和临床研发中的潜在应用价值。

“NIH纳米科技计划旨在从生物分子加工的层面上，为生物学和医学应用之间创造新概念性的接口，” Paul Sieving博士，美国国家眼科研究中心的主管及国家纳米科技计划的主席，向与会代表传递了以下的个人观点。“所有的目标可以概括为：第一，定量测定在生活细胞内分子的物理和化学性质，及其纳米机制；第二，了解在活细胞内部‘建造’各种分子，分子复合体，细胞器，细胞，以及组织时所遵循的工程学原理；第三，根据掌握的工具的知识和设计规则，开发新技术，工程设备和复合结构，用于修复组织，以及预防和治愈疾病。”

Sieving博士谈到，在眼科学中有一些特别适合纳米技术发挥作用的领域，包括水力学和生物力学（例如可以辅助青光眼的治疗和视网膜血管的手术），药物投递（如更准确的定位于视网膜），神经弥补术（如利用神经元大小的电极改善电流和成像解析度），此外还包括成像，诊断，免疫调节，晶状体和视网膜修复，以及角膜移植等等。

其中一种应用是对视神经进行神经再生。在麻省剑桥的马萨诸塞技术研究中心，Rutledge Ellis-Behnke博士及其同事使用一种可以进行自组装的多肽纳米骨架（SAPNS）进行他命名的“纳米神经织补（nano neuro knit）术”，实现对哺乳动物大脑深部损伤组织的修复。研究人员切除了位于仓鼠视觉通路中的上丘，导致仓鼠失明，然后向该区域注射含有SAPNS的溶液，自组装产生的支架结构将帮助神经轴突再生，并且使损伤区域周围的脑组织重新形成细胞间连接，最终实验动物重新获得了部分功能性的视觉。虽然该项技术尚未在人体中得到测试和检验，但它在动物实验中显示的效果确实充满应用的前景。

树丛状纳米球的多重运用
树丛状纳米球是通过在一个核心胶粒上不断的重复添加各级分支单位而形成的一类三维的，高度分支的多聚物。

伦敦帝国大学汉姆史密斯医院的Sunil Shaunak博士等正在检验阴离子树丛状纳米球在眼科中的应用。选择该类化合物作为研究对象的关键动机之一在于希望利用这类化合物克服普通介质只能定位于单个分子或者单个受体的局限性。“我们对于一直只使用小分子的单共价药物的疑虑已经持续了很长一段时间……因此我们着手考虑一些多共价结构的药物，使用更大型的分子就能够同时结合若干种配基，对多种受体的识别和结合的能力将引发本质上全新的生物学反应。”

Shaunak博士认为，外科手术的过程会导致多种组织酶的释放，进一步引起细胞释放小分子的硫酸乙酰肝素，从而触发Toll样受体4（TLR4）介导的下游反应。“这就是为什么我们虽然观察到患者在术后发生感染性休克，但是抗生素却不能够产生疗效，因为实际上体内具有两种配体——细菌的脂多糖（LPS）和可溶性小分子硫酸乙酰肝素——都能够激活这个受体。”

Shaunak博士决定利用这一点作为眼科手术常见术后症——青光眼术后成疤——的突破口。他和他领导的小组构建了一种树丛状纳米球，能够干扰硫酸乙酰肝素与TRL4之间的结合力，希望从源头截断炎症的级联反应。他所领导的小组还开发了一种磷酸化的树丛状纳米球，能够与成纤维生长因子直接竞争受体，也能够从源头干扰血管发生作用。两条通路都是疤痕形成过程中的重要组成因素。Shaunak博士认为，树丛状纳米球还能够针对多种疾病引发的炎症反应和眼球背面血管生成中发挥阻断作用。

眼遗传学，基因组学
树丛状纳米球以及其他各种纳米科技衍生的工具，在眼遗传学和基因组学的研究中也找到了各自的用武之地。密歇根大学的Julia Richards博士，正在充分的发掘纳米技术在青光眼研究中的应用潜力。她发表的论文《眼遗传学家们的理想纳米技术名单》中提出的三种工具分别是：能够在临床实践或者野外工作条件下进行实时基因分型的仪器；纳米级别的，能够在原位条件下分析基因表达水平，从而衡量人为干扰过程所发挥的效应；以及能够避免在基因治疗中使用病毒载体的潜在危险，针对特殊的细胞类型投递基因治疗的方法。

密歇根大学的David Bruke博士及其同事，正在开发其中一种可称为手掌型“芯片实验室”的装置，试图运用于现场基因分型。虽然该设备的大小在毫米规格，与纳米装置比可称为庞然大物，但是它能够处理纳升水平的样品量。该装置能够测量试剂和含有DNA的溶液，混合溶液，进行扩增反应或者将DNA分子酶切为大小各异的片段，并对这些片段化的消化产物进行分离和检测。

Richards和Burke正试图将这项技术运用于大型野外研究中，这类研究需要采集大量个体的血液样本，并进行快速分析以确定研究需要针对的方向。最近的一个例子是分析一个由857名成员组成的大家族。“对于这一类型的家族研究，特别是当它的组成成员遍布全世界时，如果能够追踪其中特殊的一些分支，而无需检查家族中每一个成员，也无需眼科学家们进行海量的测试时，将给研究带来极大的便利，” Richards谈到，“如果我们能够在实验室外跟踪这些家族成员，尤其是那些与我们希望研究的靶位点有关的世代，我们进行研究的效率将得到极大的提高。”

Richards还注意到青光眼治疗面临的问题之一在于，如何将药物顺利的导入细胞内部，而不是积累在细胞表面或者间质中。牛眼小梁细胞具有吞噬的特性，通过诱导能够携带多种不同的载体颗粒。“具体来说，是将黑寡妇毒蛛素的类似物连接到树丛状纳米球的表面，使它能够与牛眼小梁细胞表面的毒蛛素受体识别并结合，”Richards解释道，“当纳米球分子完成内化作用后，如果需要将它释放到细胞内，只需要激活一种相对特异的蛋白酶PCSK1发挥作用，只有在TM细胞内，经过遗传工程改造过的这种蛋白酶才有机会附着到载体颗粒的表面。”因此只有当药物随载体颗粒进入到细胞内部，才有可能被其中分布的蛋白酶催化，切断它与载体之间相连的肽段，从纳米球表面释放到细胞内发挥作用。

基质形貌学治疗
 
威斯康星大学麦迪逊校区的Christopher Murphy博士正在致力于研究特殊的细胞培养基质表面，这种培养基质能够调控一些基本的细胞行为，包括细胞形态学，聚合，附着，迁移，等等。虽然“基质形貌学治疗（topographic cueing）”并非一个全新的概念，但是Murphy博士是在纳米水平探索该现象的第一人。

多数上皮细胞的正常存活要求它们必须附着并且伸展着生长在一个支持表面上。在一般条件下，它们附着在由 IV型胶原分子和层粘连蛋白为主构成的基膜表面。在显微镜下可见，基膜具有一种类似毛毡的表面，上面密布纳米尺度大小的孔洞和纤维。换言之，与成千上万种基质形貌学特征的接触，是维持在每一个上皮细胞的一生中的行为，并且细胞的功能也受到来自这方面因素的影响。Murphy的目标是制造能够精确定义的仿生学的纳米结构表面，从而通过纳米形貌学来调控细胞的行为。

利用先进的平板印刷，蚀刻，以及其他的技术手段，Murphy及其实验室成员已经制造了一系列的基质，表面具有平行排列的纳米槽和嵴，宽度从400nm到4000nm不等。虽然这些表面特征旨在模拟人体的角膜基膜，但是设计这些规律性基质表面特征还有另一个目的，是希望理解和实现对细胞行为的控制。

研究结果发现，生长在70nm尺度的槽嵴模式下，附着在基质表面的细胞会发生延长，并沿着槽和嵴的方向聚集，而生长在光滑表面的细胞仍然维持着几乎圆形的形态。事实上，研究发现细胞在最小规格的表面特征下附着的效果最好，这是一个有趣的发现，因为在这种条件下细胞与支持基质的接触面积是这些不同的样品中最小的。

粘着斑和细胞内张力纤维的走向依赖于锚定的模式（即，槽和嵴的宽度）。生长在400nm或者 4,000nm宽度的表面上的细胞，它的锚定是漫无目的的，而那些生长在1,200nm宽度的表面上的细胞，它的锚定呈并列平行状排列。这种现象上的差异与观察到的其他一些细胞行为的结果是一致的。一旦锚定距离进入到1,200nm到1,600nm之间，细胞的极性，附着，细胞迁移和增殖的行为能力都表现出显著的上升。Murphy称之为“仿生学领域”。

“一旦达到仿生学领域，粘着斑的解剖学特征和极性都会发生改变，”他解释道，“甚至粘着斑下方的张力纤维的方向也会发生改变。我们尚未明白蕴含在这种变化之中的含义，但是可以确定，细胞骨架的变化在很多情况下意味着一些细胞内信号的改变。”Murphy博士正在尝试利用这一纳米技术开发一种新型的人工角膜。通过使用正确的基质形貌学特征，他已经能够人为的控制角膜上皮细胞迁移的方向，以及它们增殖的程度。

诚然，想在主流的眼科治疗实践中占据一席之地，纳米技术尚面临着一条漫长的路。但是，它所提示的重大意义和潜力已经充分的点燃了人们的想象力，尤其是在视觉研究这一发展迅速的领域。作为纽约医学院临床眼科学的教授和此次研讨会的主席，医学博士Robert Ritch做了最后激动人心的总结：“这是一个已经崭露头角，并且必将为我们的生活和我们的社会带来深刻变革的领域，在预测从中将诞生何种科学突破的同时，我们发现它甚至已经超越了我们的想象力所能启及的高度。”

译自《Drug Discovery & Development》