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[交流] 纳米医学：物理学和生物学的碰撞

科技日报2006年9月29日讯：
名教授转行纳米医学研究

科学、技术研究需要灵感，也需要火花。不同研究思路和方法的相互碰撞，必然会产生这种美丽的火花。

美国麻省理工学院材料科学和工程系索巴拉·索瑞斯赫教授目前的研究工作——利用物理学的研究方法，在纳米量级上研究医学问题，理解疾病的变化机理——正是源自一次偶然机会碰撞出的火花。

做材料科学和工程学领域的科学家，索瑞斯赫一直致力于研究涂层、薄膜等各种材料的结构特性。2004年4月，索瑞斯赫应邀到法国巴黎一所有名的技术学院作学术报告。期间，他在自助餐厅遇到一位在巴斯德研究所工作的法国生物科学家，这位科学家热情邀请索瑞斯赫到该所作一场演讲。

出乎意料的是，生物学家们对索瑞斯赫教授的报告反应十分热烈。他们认为，在过去的研究工作中，从来没有想到要利用精确的物理学研究工具诸如光学镊子等，而这些研究工具在物理学研究中的使用则非常普遍。生物学家们认为，索瑞斯赫的专长、实验方法和计算模型，有助于帮助他们清楚地理解疾病所经历的一些物理变化。

从此，索瑞斯赫教授和他领导的研究小组开始涉足纳米医学这一全新的研究领域。

约翰·米尔斯是索瑞斯赫的博士研究生，也是米尔斯研究小组的核心成员之一。作为博士论文研究项目的一部分，他和索瑞斯赫教授共同设计、制造了一台可能是目前世界上功能最为强大的光学镊子。作为一种研究仪器，光学镊子发展于上世纪80年代中期，它利用光的力量来操作极其细微的物体。这师徒二人利用这种先进的光学镊子，研究疟疾的变化机理。

移植研究手段大显身手

米尔斯设计的这种仪器，是将显微镜和一台电脑相连接，并用视频技术将显微镜中的各种详情传输给电脑，这样就可以在电脑屏幕上观察到由显微镜所提供的录像。

在实验中，米尔斯在操纵操作显微镜的同时，双眼紧紧盯着与之相连接的笔记本电脑显示屏，在显微镜下寻找到一个微小硅珠。几秒钟之后，一个类似于有压痕的圆环出现在显示屏幕上，这就是一个红血球。然后，米尔斯迅速调整显微镜，直到能够清晰地观察到硅珠“捕获”到红血球。此后，他再次调整显微镜的观察范围，出现了第二个硅珠，它也“捕获”到了红血球。这些硅珠的表面包裹着可以粘住血细胞的蛋白质，因此血细胞的形状呈现“雪茄”状。

在这项研究中，米尔斯使用一对激光束控制硅珠，并以硅珠子为“把手”来测试红血球细胞壁的弹性，对红血球施加的力量可以达到500微微牛顿（10的负12次方牛顿），相当于其他同类光学镊子的数倍。

索瑞斯赫指出，利用这样的红外工具来测度细胞的物理特性如硬度等，“将使我们能以前所未有的方式来观察细微物体。”

目前，索瑞斯赫教授的研究小组正在进行一项比较研究：测度光学镊子对正常红血球施力的方式，以及对受疟原虫感染的红血球施力的方式，然后将两者的结果进行比较。通过这种研究，他们试图准确地揭示疟疾病毒如何改变红血球的物理特性，这样可能会发现更好的方法来治疗这种疾病，甚至预防这种疾病。

疟原虫能够对人体内的红血球发出致命攻击，是地球上最具致命性的疾病之一。然而，遗憾的是，科学家迄今依然不完全清楚其致病机理。科学家所知道的是，疟疾能使红血球细胞壁变硬，减缓其在血流中的移动能力，然后导致其硬度进一步增加，最终造成红血球淤积成块，黏附于血管壁上。索瑞斯赫教授的研究工作将有望更为精确地测定出红血球是如何逐步变硬的。此前，研究人员相信，受感染红血球的硬度大约是健康红血球硬度的3倍，但是索瑞斯赫教的研究结果显示，实际上它们的硬度相差10倍！

疟原虫的成熟期为48小时，索瑞斯赫想弄清楚在此期间受感染红血球硬度的具体变化情况。过去，基本上无法在这样一个时间量级上进行类似的实验，因为研究人员此前使用的光学镊子，要耗时1个小时才能捕获到一个红血球，此后需要花费数小时才能处理将所收集的数据处理完毕。使用新设计的光学镊子，米尔斯捕获到一个红血球仅需要数秒钟，并可以利用更为先进的模型软件，对数据进行实时分析。上述改进，能够实现原先根本无法完成的一系列实验，这类实验的最终目的都是为了弄清楚那些受疟原虫感染的特定蛋白质的具体变化情况。

索瑞斯赫研究小组所选定的第一种蛋白质研究对象是RESA蛋白，这是由疟原虫引入到受感染红细胞内的一种蛋白质，能够对细胞膜产生作用。索瑞斯赫研究小组以及其国际合作伙伴——法国的巴斯德研究所和新加坡国立大学共同努力，试图了解在疟原虫成长的不同阶段，受感染细胞的弹性是如何逐渐发生变化的。他们希望探索这种蛋白质是否可以被当做一种诱惑靶标，吸引病毒的攻击，藉此来治疗或者预防疟疾。

为了弄清楚在疟原虫的成熟期RESA蛋白所发挥的作用，米尔斯设计了一项对比实验。首先，他将失去活性的RESA蛋白置入红血球细胞内，在疟原虫的48小时成熟周期内，在不同点位上测度红血球细胞的硬度；然后，利用依然具有活性的RESA蛋白，以同样的方法在不同点位上测度红血球细胞的硬度。米尔斯认为，这项实验结果应该能够显示，在疟原虫成熟周期的不同阶段，RESA蛋白的活性对细胞结构是否能够发生作用。

在每次实验前，米尔斯都要花费30分钟来调试光学镊子，以确保激光所产生的力量的力度和精确度，适合于在纳米数量级上进行这种实验。该仪器使用启动功率为10瓦特的激光，将激光瞄准硅珠，捕获单个的红血球。然后调整激光的强度，不断地变换激光对细胞的施力程度，同时将有关数据和图像传输到电脑屏幕上。

纳米医学任重而道远

索瑞斯赫说：“我们认为可以测度出不同细胞之间粘附力的大小。粘附力不仅是粘性的一种度量指标，它在疾病的发展过程中所起的作用也相当大。就我们所知，目前尚无人对这种粘性进行定量研究”。他希望通过对粘附力的定量测度，帮助科学家找到改善血液流动的有效途径，用这种方法治疗疟疾。

虽然索瑞斯赫对自己目前的研究工作感到激动，但他依然十分谨慎。他认为，生物细胞物理特性的纳米测度仅仅出于初始阶段。他说：“我们刚刚开始把这两者结合起来，起码需要5年的研究，才能确定今后我们到底能走到哪里。首先我们必须理解科学，然后才能弄清楚治疗疟疾的潜力到底有多大”。

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