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纳米线:血液中的“捕蝇草”
2018-03-09 22:22   审核人:

纳米线抓取血液细菌的过程


    中科院化学研究所研究员王铁及其同事通过多年努力,研发出一种附有精细纳米线的泡沫可作为透析液,它不仅具备清除代谢废物的功能,而且具备主动“抓取”细菌的能力,并且研究人员在此基础上,成功研制了新的血液透析仪。相关研究成果已刊发在日前出版的《自然—通讯》上。

    血液透析仪器又被称为“人工肾”。当一些病人因为疾病导致肾脏功能受损时,血液中的代谢废物无法及时被排出体外,就需要借助外部的仪器——血液透析仪帮忙。它将人体内的血液引流至体外,让血液与含机体浓度相似的电解质溶液即透析液,对流进行物质交换,清除体内的代谢废物、维持电解质和酸碱平衡;同时清除体内过多的水分,并将经过净化的血液回输。

    这项科研成果,或许将改变中国百万慢性肾病患者,特别是透析患者的命运。

灵感来自捕蝇草

    如何才能实现主动“抓取”细菌?这一奥秘就在于纳米线。

纳米线,顾名思义,其大小为纳米级别。体积虽小,但一旦遇到细菌,纳米线就会卷起来,像卷曲的手指,将细菌牢牢“抓住”。

    “我们在纳米线上输入了针对某一种细菌抗原的抗体。当纳米线遇到对应的细菌时,就会触发抗体进而让纳米线卷曲抓住这些细菌。”王铁在接受采访时告诉《中国科学报》记者。

    要知道,一般的血液透析仪只承担清除体内的代谢物以及氮氧化物等成分的责任,细菌并不在清除的“名单”中。所以,在工作时,血液透析仪让血液滤过的同时,只是被动拦截代谢物等。但在血液流动过程中,会产生剪切力,让血液中的一些细菌不会被滤除。

    “就像是河流上面漂浮着轻微的漂浮物,后者被动黏附在河流表面,它会随着河流的流动穿过障碍物。”王铁打了个比方。血液中的细菌就相当于轻微的漂浮物,在透析的过程中,不会被过滤出,反而会因为剪切力的作用再次回到体内。

    如何滤除细菌呢?王铁的灵感来源于女儿养过的一株捕蝇草,捕蝇草捕捉蝇虫会封闭出口,让蝇虫等无法逃出,提高捕捉效率,就像人类的手指,要弯曲才能握紧物体,这一原理是否可以应用到透析仪?

    于是,他在自己擅长的纳米领域中尝试着做了一个“捕蝇草”放入透析液中。实验证明,加入纳米线的透析液可以清除血液中90%以上的细菌,而在之前,透析液的细菌滤过率只有不到10%。同时,纳米线会避开红血球、白血球、血小板等血液中正常的成分,不会“误伤”友军。

    “这项新功能在未来人类面对超级细菌时将发挥更大的威力。”王铁说,即便面对超级细菌,也可以在体外培养抗体,然后输入纳米线中,再通过透析,就可将细菌清除出体外。

纳米与医学结合

    王铁的学术背景并非医学,而是纳米材料和分析化学。归国前,他曾在美国从事过裸眼3D的研究,并在国际期刊上发表过相关文章。2013年,他入选中国科学院化学所“百人计划”、中组部“青年千人计划”,回到国内,进入中科院化学所。

    本想继续之前的研究,但是中科院要求研究员要具备创新能力。那么,如何在纳米材料领域里进行创新呢?思来想去,王铁决定涉足医学,将纳米材料与医疗设备相结合。

    为寻找结合点,王铁尝试过不少方法。他曾经翻阅过大部头的医学专业书籍。但是书中描写的内容是医学已经成熟的理论,“我无法从中找到现代医学的短板或者临床医学中急需解决的问题是什么”。

    于是,他通过中科院的平台与多名临床医生取得联系。“通过与医生的交流了解病人对于诊疗过程更多的诉求,寻求结合点。”王铁回忆说。

    就这样,纳米线诞生了。除此之外,王铁团队另一项已经拿到专利的研究是关于骨再生材料的。“我们将人体内的胶原细胞‘改’为骨头,再移植进入体内后就不存在排异反应了。而且,这种骨再生材料完全仿生,甚至还能在其中长出骨髓。”

    不仅如此,“我们的团队正在研发一种通过呼吸器检测肺癌的检测仪。”王铁介绍说。目前,呼吸器主要应用于酒精的检测。与人体相关的绝大多数检测还是集中在血液、尿液。“其实,人体呼出的气体可以用来检测上呼吸道、口腔、肺和胃等器官是否存在炎症或病变。”

    这一灵感来自王铁看到的一则新闻:一条来自德国的狗可以通过嗅觉判断一个人是否罹患癌症,“这说明人体散发的气味含有肿瘤的信息,狗的嗅觉灵敏,可以捕捉到这一气体分子,那么仪器是不是也可以?”

    通过分子分析,王铁确实找到了肺癌患者呼出气体中与普通人不同的分子成分。但随着研究的深入,肺癌还包括非小细胞肺癌和小细胞肺癌等几类,每一类肺癌呼出的分子有何异同,这是王铁未来研究的内容之一。

    随着对医学不断深入的了解,王铁深刻地意识到,面对疾病,人类需要做的还有很多,“我们研发的只是其中很小的一部分”。

创新是不重复

    “我也渴望拥有可以打上自己名字烙印的成果。”王铁说。为了这一目标,王铁带领团队不断创新,渴望将纳米技术应用到更多领域。“如今,我们面对恶性肿瘤、艾滋病和白血病等疾病时依然束手无策。”王铁感叹,“虽然我们的团队有一些研究已经成功,但是这些成功率只占到全部实验的20%~30%。”

    不断地尝试,不断地失败,让王铁越挫越勇:“我们不能只做重复的科研。美国为什么会产生那么多诺贝尔奖,是因为他们每一位学生都在导师的基础上进行着创新。不断开拓新的领域,就像自然界生物的多样性增加了,才能保持这一领域的活力。”

    “未来,我们还将不断摸索。期望将来我老去时,可以跟我的儿女说,这些都是爸爸开创的。”王铁说。

来源:中国科学报


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