本書為精準醫(yī)學出版工程?精準醫(yī)學基礎系列叢書之一。目前歐美多國都把納米生物醫(yī)學作為21世紀科研優(yōu)先領域予以重點發(fā)展。本叢書從納米技術輔助精準診斷、納米技術輔助精準治療、納米技術在藥物精準輸送中的應用及納米材料等幾個方面分別介紹納米技術在精準醫(yī)學中的應用,為納米技術的基礎研究與臨床應用提供參考和借鑒。
納米科技是基于人工制造的納米結構基礎上的納米材料與獨特的納米效應發(fā)展起來的高新科學技術。1959年,諾貝爾物理學獎獲得者理查德·費曼在《在底部還有很大空間》的演講中提出:物理學的規(guī)律不排除一個原子一個原子地制造物質的可能性,納米技術的概念從此誕生。自20世紀80年代納米科技迅速發(fā)展以來,納米技術已滲透到各個傳統(tǒng)行業(yè)與領域,促進了各個領域的技術進步與發(fā)展,發(fā)揮了獨特的作用與難以取代的功能。大力發(fā)展納米科技是時代發(fā)展的需求與必然選擇。納米科技是當代科技發(fā)展的前沿領域,尤其納米制造技術是實現(xiàn)微納米結構、器件、系統(tǒng)批量化生產(chǎn)的基礎,是支撐微納米科技走向應用的基礎。材料、物理、化學和生物等基礎科學的研究成果以及信息技術的進步帶動了納米制造技術的發(fā)展,而納米制造技術同時也反過來推動了相關學科的進一步深入發(fā)展。納米科技已與每一個學科形成了交叉促進發(fā)展的局面。據(jù)美國國家科學基金會的預測,未來15~20年,全球納米技術市場規(guī)模將達到每年10000億美元左右。各國政府都在加大投入,搶奪納米科技的制高點。納米科技與醫(yī)學結合已形成納米醫(yī)學。納米醫(yī)學不同于常規(guī)的醫(yī)學,是一個交叉學科,不僅進行納米尺度的材料與器件的研發(fā),而且更重要的是,應用于疾病的診斷、治療、預測、監(jiān)測與預防。
精準醫(yī)學是指用現(xiàn)代遺傳技術、分子影像技術、分子信息技術結合患者的生活環(huán)境和臨床數(shù)據(jù),實現(xiàn)精準的疾病分類與診斷,制定具有個性化的疾病預防和治療方案。2015年1月,原美國總統(tǒng)奧巴馬在國情咨文演講中提出“精準醫(yī)學計劃”,呼吁美國制定相關政策,投入研究經(jīng)費,加快發(fā)展精準醫(yī)學。2015年2月,中國國家主席習近平批示國家科技部和國家衛(wèi)生計生委(現(xiàn)國家衛(wèi)生健康委員會),要求國家成立中國精準醫(yī)療戰(zhàn)略專家組,由19位專家組成了國家精準醫(yī)療戰(zhàn)略專家委員會。精準醫(yī)學發(fā)展的短期目標是制定基于個體防癌治癌的靶向治療方案,其長遠目標是實現(xiàn)廣大人民群眾的健康管理即提升對疾病的風險評估以及對許多疾病最佳治療方案的預測,包括檢測、測量、分析廣泛的生物醫(yī)學信息,從而達到“防未病、治已病”的效果。疾病的病因學和分子機制研究、中國人群基因組學大數(shù)據(jù)庫的建設、腫瘤遺傳學與影像學特征研究、精準手術治療與智能化醫(yī)療器械的研究開發(fā)、個體細胞儲存與誘導培養(yǎng)回輸、免疫細胞治療亞健康與腫瘤、干細胞技術抗衰老研究等是中國精準醫(yī)學發(fā)展的主要任務。
納米科技具有顯著的優(yōu)勢,與精準醫(yī)學深度結合,出現(xiàn)了一個新的概念即納米精準醫(yī)學。納米精準醫(yī)學充分利用納米材料、納米器件等納米科技的獨特優(yōu)勢,解決疾病的精準診斷、精準治療、精準監(jiān)測和精準預防問題,并在臨床醫(yī)療活動中進行精準應用,最終實現(xiàn)精準醫(yī)學服務于人類健康長壽的目標。
納米精準醫(yī)學離不開納米材料。納米材料具有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應與宏觀隧道效應,在聲、光、電、熱、磁、力學方面呈現(xiàn)獨特性質,利用納米粒子的吸附、熒光信號和特殊的光譜信號,可顯著增強生物分子檢測的靈敏度。納米技術與傳統(tǒng)檢測技術融合發(fā)展,出現(xiàn)新的檢測技術,進一步增強了檢測的靈敏度、精準性,部分實現(xiàn)了小型化、便攜式、簡便快速。常見的納米粒子包括磁性納米粒子、金銀納米粒子、量子點、碳納米管、石墨烯等,在疾病標志物的捕獲、分離以及檢測中都有廣泛的研究及應用。微流控芯片是一種發(fā)展比較快的微型化診斷技術。納米技術與微流控芯片技術結合發(fā)展出系列新的檢測器件與技術,可實現(xiàn)痕量標志物的快速檢測。納米粒子標記技術與基因芯片技術結合可顯著增強基因檢測的效率與精準度。利用石墨烯納米膜開發(fā)出的傳感器可以實現(xiàn)生物標志物的超靈敏檢測。這些都反映了納米技術使生物標志物檢測更精準。
隨著納米技術的發(fā)展,分子影像的應用范圍越來越寬,多功能的納米探針設計與制備技術越來越成熟。把多模分子影像、光熱治療、磁熱治療、納米藥物的高效遞送高度集成在一個納米探針上,實現(xiàn)診療一體化,已成為發(fā)展趨勢,也是納米技術在精準醫(yī)學中應用的最有代表性的體現(xiàn)。本書也對這一進展以及存在的問題與挑戰(zhàn)進行了介紹。
本書主要圍繞納米精準醫(yī)學的前沿熱點,重點闡述了納米技術在精準醫(yī)學方面的研發(fā)現(xiàn)狀,討論了術語、概念及發(fā)展趨勢與存在的挑戰(zhàn),目的是促進納米技術在精準醫(yī)學中的應用。本書由上海交通大學崔大祥教授主持編著,編撰工作得到諸多科研院所、高等院校和醫(yī)療機構的大力支持和幫助。其中第1章由張倩執(zhí)筆,第2章由陳迪、林樹靖執(zhí)筆,第3章由章阿敏執(zhí)筆,第4章由王侃執(zhí)筆,第5章由宋春元執(zhí)筆,第6章由汪聯(lián)輝執(zhí)筆,第7章由郅曉執(zhí)筆,第8章由韓宇執(zhí)筆,第9章由楊蒙執(zhí)筆,第10章由金慶輝、牛嘉琪執(zhí)筆,第11章由閆浩執(zhí)筆,第12章由李天亮執(zhí)筆,第13章由劉巖磊執(zhí)筆,第14章由宋杰、冀斌執(zhí)筆,第15章由張春雷執(zhí)筆,第16章由陳云生執(zhí)筆,第17章由崔大祥執(zhí)筆。在此,衷心感謝各位專家的辛勤付出!
崔大祥,納米973項目首席科學家,獲得國家科學技術進步二等獎等。上海交通大學教授,早稻田大學客座教授,教育部長江學者特聘教授。多年從事納米材料的生物學效應與安全性評價;納米材料與納米效應基礎上的納米診斷治療技術原理研究;納米藥物遞送系統(tǒng)與納米藥物研究。
1 基于納米技術的核酸及蛋白質提取、分離、純化技術
1.1 納米粒子的制備及表征技術
1.1.1 納米粒子的制備
1.1.2 納卷粒子的表征技術
1.2 基于磁性納米粒子的核酸提取、分離、純化技術
1.2.1 磁分離的基本原理
1.2.2 用于生物分離的磁性納米粒子的特點
1.2.3 磁性納米粒子在核酸提取、分離與純化中的應用
1.3 納米粒子的標記與染色技術
1.3 半導體納米粒子的標記與染色技術
1.3.2 貴金屬納米粒子的標記與染色技術
1.3.3 復合型納米粒子的標記與染色技術
1.3.4 稀土熒光納米粒子的標記與染色技術
1.4 基于納米粒子的蛋白質標志物分離技術
1.4.1 基于磁分離技術的蛋白質標志物分離
1.4.2 基于微流控芯片技術的蛋白質標志物分離
1.5 小結與展望
參考文獻
2 基于納米技術的PCR檢測技術
2.1 量子點的制備及表面功能化
2.1.1 量子點的制備
2.1.2 量子點的表面功能化
2.2 基于量子點熒光淬滅的定量PCR技術
2.2.1 實時熒光定量PCR技術
2.2.2 基于量子點熒光淬滅機制的定量PCR技術
2.3 數(shù)字PCR技術
2.3.1 數(shù)字PCR技術的原理及發(fā)展
2.3.2 數(shù)字PCR技術的分類
2.4 小結與展望
參考文獻
3 納米效應基礎上的超敏感傳感檢測技術
3.1 等離激元共振效應基礎上的檢測原理
3.1.1 表面等離激元
3.1.2 等離激元共振效應基礎上的應用和檢測
3.2 表面增強拉曼散射檢測原理
3.2.1 拉曼散射
3.2.2 表面增強拉曼散射的原理和增強基底
3.2.3 表面增強拉曼散射的應用
3.3 金納米三角基礎上的超敏感傳感檢測技術
3.3.1 金三角納米顆粒的制備和應用
3.3.2 金三角納米顆粒的超敏感傳感檢測技術
3.3.3 三角形金屬納米結構傳感特性的優(yōu)點分析
3.4 空心銀微球基礎上的超敏感傳感檢測技術
3.4.1 空心銀微球的合成及表征
3.4.2 空心銀微球超敏感傳感檢測技術的表面增強拉曼散射應用
3.5 整體柱的加工制備及集成
3.5.1 基于整體柱的表面增強拉曼光譜檢測
3.5.2 整體柱的加工制備方法
3.6 納米傳感技術及其在精準醫(yī)療臨床檢測中的應用
……
4 納米粒子標記的層析芯片技術
5 拉曼光譜及其在生物醫(yī)學中的應用
6 二維納米材料在腫瘤標志物檢測中的應用
7 巨磁阻傳感器及其在生物醫(yī)學中的應用
8 基于納米技術的循環(huán)腫瘤細胞檢測
9 基于納米技術的循環(huán)腫瘤DNA分離捕獲與定量檢測技術
10 活體原位生物合成納米簇探針多模態(tài)精準成像
11 數(shù)字全息顯微鏡技術在細胞成像中的應用
12 納米孔測序技術
13 腫瘤手術邊界示蹤成像技術
14 基于原子力顯微鏡的單分子操縱及相關技術
15 基于納米探針的診療一體化技術
16 納米診療技術的臨床轉化
17 納米精準醫(yī)學面臨酌挑戰(zhàn)與前景
縮略語
索引