揭秘未来医疗技术:游走于血液的微型机器人

2008-08-05 10:18:52来源: 科技日报

  自从放血疗法开始应用以来,医疗保健技术的发展已走过了漫长的道路。而未来的医疗保健技术,甚至将会使今天最为广泛使用的疗法也变得过时。类似捕获癌症的纳米粒子、破坏病毒的激光器以及超轻心脏监视仪等医疗技术的突破,使得靶向治疗技术开始进入全新的时代。利用靶向治疗技术,药物将被直接导向最需要的部位,治疗时健康身体组织也将不会再受牵连,疾病刚刚冒出一丝苗头也能被实时检测出来。

  呼口气即可体检的激光器

  从1954年以来,酒精检测仪就一直被用来判定司机是否饮酒或酒醉程度。美国科罗拉多大学物理学家叶军将这个概念移植到一个全新的领域:医疗诊断。只要呼一口气,他设计的装置就能检测出数千种不同的生物分子,而且敏感到足以分辨出或许代表着特定疾病的罕见生物分子。对呼出内容物建立一个快照,就可检出从癌症到囊性纤维化等多种疾病的存在。

  这种瞬时诊断仪由一个称为“光学频率梳”的激光器驱动,能发出宽频光波与空中的化合物进行反应。光频梳用来测量不同色彩(或频率)的光,其梳状线均调整至特定分子的明确振动频率或旋光性。而整个光频梳可涵盖广泛的光谱范围,其很像彩虹的颜色,能够监测出几千种不同的分子。叶军说,当处于规则间隔光频梳图示时,可以看到这道“彩虹”,一旦呼气分子穿过“彩虹”时,所掀起的共振频率将使光频梳看起来像缺了齿一般。当许多呼吸分子被同时监测到时,就能得到特定疾病的高可靠信息。譬如,最后的图示显示存在一氧化碳、过氧化氢和一氧化氮,呼气者就可能患有哮喘病。

  叶军表示,患者不必再耗费数天来等待测试结果,“只需一分钟,你就能知道是怎么回事”。

  先发制人的早期肿瘤抑制

  全世界的科学家都在全力以赴开发新的癌症治疗方法,这些新方法包括更有效的化学疗法及更好的骨髓移植程序,而美国约翰•霍普金斯大学生化学家托马斯•肯斯勒正致力于用更先进有效的新疗法取代所有这些努力。

  肯斯勒和达特茅斯学院的同僚一起揭示了一种防止恶性肿瘤早期形成的惊人方式。就像地震和雪崩,癌症是整个序列的不稳定情况所造成的结果,如:不正常的细胞在错误的时间聚集在错误的地方;细胞与细胞间的通信被打破;细胞盲目地进行增殖和分化。肯斯勒通过利用一种称为CD鄄DO—Im的齐墩果酸类似物化合物治疗健康组织的方法,在实验室里扰乱这个序列。来自于植物酸的CDDO—Im可激活将有毒化合物从细胞—化合物(可能会制造出导致癌症的DNA突变)中消除的天然酶。CDDO—Im还具有与其他齐墩果酸衍生物一样的抗炎活性。所有这些使得CDDO—Im具有癌肿预防作用。CDDO—Im预防黄曲霉毒素引起的癌肿作用比至今所知的其他癌肿预防制剂都更有效。

  肯斯勒说,未来数年内,CDDO—Im尚不能应用于临床。但到了可以提供给患者的那一天,一个健康的人就可根据自己的遗传易感性和所处的环境条件使用这个办法。研究人员的目的就是要阻止非常早期的癌细胞发生显著的变化。

  实时监测血压的植入式纳米线

  在医生的办公室进行例行的血压检查,也许很快将成为往事。美国乔治亚理工学院物理学家王中林已经设计出一种可植入式的纳米线,能持续不断地测量血压的波动,使病人在家里就能追踪他们自己的身体状况。

  那么这个传感器是如何工作的呢?研究人员使用的纳米线具有两个重要的特性:它既是半导体,又是压电材料。这意味着,如果施加一个外部机械力使纳米线弯曲,譬如血管收缩这样的外力,纳米线就会产生一个线内电场。此电场的存在影响了纳米线的导电率,而这是可以测量的。如果导电率发生变化,也就表明血压正在变化。

  这项技术比以往的技术有了很大改进。旧式装置在手臂上需要一块相当大的裹布,但这个新式传感器却可以植入手臂并进行实时监测。患者戴上一个手表样的装置来记录数据,一旦有异常现象出现,手表就能立刻向患者或医生发送报警信号。

  这种植入式纳米线很可能还有其他潜在的应用。科学家通常需要以自动的方式测量很小的压力变量。例如,在数百公里长的天然气管道上,类似的传感器就能有助于预测潜在的爆炸隐患。

  杀灭超级细菌的超红外激光

  抗病毒药物和抗生素一直都是艾滋病病毒和葡萄球菌这样的超级细菌的第一道防线,但抗病毒药物和抗生素也存在一些严重弊端:抗病毒药物可在胰腺和肝脏内肆虐,而抗生素却对固定的耐药菌株不起作用。作为应对措施,美国亚利桑那州立大学物理学家KT•曾教授开发出了一个多功能治疗工具:一个可杀灭细菌及病毒而不伤害周围组织的超红外激光器。

  该方法的创新之处在于以激光以机械的方式剿灭病原体,而不是以化学或生物方式。研究人员利用激光器在细菌或病毒的蛋白质外壳上制造一个大的振动,将其激活至足够高的能量态,致使其与外壳的微弱联系被打破。因为哺乳动物细胞没有这样的外壳,这种方法就能在保持患者身体完好无损的情况下摧毁那些不想要的病菌。

  曾教授表示,初步的体外试验结果表明,激光有效地摧毁了艾滋病病毒。基于迄今为止所取得的进展,研究人员对在两年内医院用上这样的激光器表示乐观。

  无副作用的微泡靶向递药

  药物可以按照所设计的用途来治疗疾病,但是,当药物被不分青红皂白地被吸收入血管时也可触发令人衰弱的副作用。譬如,化疗片剂可引发恶心和脱发,而抗生素则能引起疲劳和呼吸短促。

  为了帮助患者克服副作用,飞利浦公司的医药部门正在开发一种类似于靶向导弹运载系统的药物。飞利浦科学家将药物粒子放入氟碳气体的微型气泡中,然后注入患者的血液中。当气泡到达治疗靶区后,技术人员发出一个高能超声脉冲,与气泡形成共振导致气泡破裂,释放出药物粒子。

  这项计划的领衔科学家克里斯多夫•霍尔表示,微泡将以更理性的方式付药剂量,可将高浓度的正确药物运到需要治疗的地方。有朝一日将能使用这种气泡包裹药物来治疗前列腺癌、乳腺癌和脑癌,并可消除通常治疗这些疾病所必须付出的激烈的身体代价。

  游走于血液的微型机器人

  目前,像肿瘤切除或疏通阻塞动脉等手术都需要患者在医院留驻很长时间。但以色列技术研究所的工程师沃戴德•索罗门开发出了一个蚊子大小的机器人,可使医生施行这些手术时无须留下大的切口,因此能使患者恢复得更快。

  创意得自上世纪80年代的游戏《激光手术:微观任务》中的一条线索,索罗门制作的机器人直径只有1毫米。这个被称为“ViRob”的机器人,其倒钩状的金属臂可抓住静脉和动脉的内部,并利用内置的切刀切开少量的组织。在大多数普通手术中,为操纵探针,医生必须抓住一个伸出身体的外部把手,但“ViRob”就没有这样的限制。机器人一旦注入静脉,操作者就可以通过将外部磁场调谐至不同频率来操纵其速度和方向。

  索罗门称,因为不必从身体外部手动控制“Vi鄄Rob”,所以医生就可以进入其他手术不能到达的区域。医生甚至可以为一个在家的患者进行远程手术。他预测,专业人员将可在5年内使用该机器人进行活检和血管修复等程序。

  贴在胸口的无缆心电图仪

  早上睁眼醒来后,只要往胸口上贴一块特轻的贴片,就能保证电脑一整天时刻监测你的心跳。这就是荷兰霍斯特中心影像激励专家开发的下一代心电图监测器,在大小和简便性方面比同类产品都更胜一筹。

  研究计划项目经理朱利安•潘德斯表示,使用普通心电图监测仪时必须将一个电极插头与测试者口袋里的一个固定盒子相连,而新的装置则迈进了一大步,可整个穿在身体的表面。隐藏在这个超小型检测器背后的秘密是一个芯片,该芯片可监测来自贴片电极的信号,并以无线方式传输至电脑来读取信号。

  这个新型智能芯片具有低功耗的优化性能,无需笨重的电池盒,从而为其应用于预防医学铺平了道路。潘德斯表示,一项技术侵入性越小就越好。这个灵活的无缆装置只须简单地贴在用户胸口,就能随时监控他的心率。

  科幻成真的纳米癌症克星

  上世纪60年代,有一部叫《奇异旅行》的科幻电影,故事内容是一名苏联科学家逃到美国,因为他的脑血管遭到间谍破坏而命在旦夕。5名美国医生被缩小成几百万分之一,注射进科学家体内进行血管手术。美国麻省理工学院工程师桑吉塔•巴蒂亚将这个科幻故事变成了现实,她开发的编程纳米粒子可径直到达癌症细胞,并于附近释放出化疗药物。

  巴蒂亚在麻省理工学院攻读博士时,专攻如何将微细制造工艺用于人体组织工程以恢复肝功能,而微细制造工艺原本用于制造半导体芯片。之后,巴蒂亚突发奇想,想利用各种办法将人们已用于研制涂料和电脑的纳米技术用来制造微小的人体部件。于是,这个微型癌症克星———纳米粒子就这样诞生了。

  该粒子表面有一种物质,能够以癌症细胞为“家”,其中一类物质就含有多肽,多肽可与肿瘤血管内壁的蛋白结合,于是成为将有毒化疗药物直接带到肿瘤细胞的“前锋”,使有毒药物在全身传送时不会产生副作用。

  巴蒂亚表示,这种纳米粒子要获得美国食品与药物管理局的批准进入临床应用,还需5年至10年的时间。与此同时,研究人员正在开发一种能追踪肿瘤正在做什么的新材料,以了解肿瘤将变得更有侵入性还是准备转移,这样,在癌症扩散前就能进行治疗。

  可生物降解的干细胞支架

  为了紧急修复受伤部位失去的组织,干细胞需要一个支架来生长,但是像塑料这样的人工材料无法成为这样的支架,因为身体会把这类人工材料标记为外来物质并加以拒绝。

  拉维•凯恩是美国纽约伦斯勒理工学院的生物学工程师,他利用在褐藻中发现的一种复杂的天然碳水化合物海藻酸,制作出可生物降解的干细胞支架,从而规避了以上问题。在支架中嵌入被称为微泡的随时间释放的微型小珠,以及被称为海藻酸盐裂解酶的食碳酶,最后嵌入体内的支架就能以可调速率进行降解。

  凯恩希望这个藻类支架能使医生将干细胞直接植入受伤组织内,譬如将健康骨骼干细胞植入骨折部位,或将神经干细胞植入早老性痴呆症的大脑病变区域。未来的支架系列将是“二合一”包装的,可同时递送干细胞和药物分子。凯恩表示,这是一个模块化系统,支架上仍有空间,还可将其他类型的微球放置其中。

  深入大脑内部的磁脉冲

  有20%的抑郁症患者对治疗药物百忧解(Prozac)没有反应,传统的最终治疗手段就只好采用电击疗法。最近,世界各地的研究人员正开始钻研一种大有前途的新疗法:经颅磁刺激(TMS)。利用TMS,附在头皮上的金属线圈所产生的磁脉冲在大脑中产生小电流,刺激大脑中与抑郁相关区域中的神经细胞,而不会损害周围的灰质。

  今年春天,这种治疗方法又增添了更多的动力,因为以色列Brainsway公司宣布,他们已成功地试验了该技术的最新进展,深度TMS。该公司首席执行官伍兹•索菲尔称,标准TMS装置的磁场仅能延伸至大脑皮层内大约半英寸(约1.3厘米)。但深度TMS的线圈可通过将磁场投射到头骨周围的一些点,能刺激到更深的神经元。这意味着,临床医生第一次可在情绪调试上扮演重要角色的大脑深层边缘系统进行定位定点治疗。迄今为止,该装置已取得很好疗效,在64个接受深度TMS治疗的患者中,40%取得了明显的临床康复效果。

  该公司正在游说美国食品与药物管理局批准使用这种装置,索菲尔也正在评估深度TMS对帕金森氏症及影响大脑皮层较深的其他神经性疾病的适用性。

关键字:激光器  抑制  检测  植入式  纳米  红外

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/0805/article_528.html
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