石墨烯和金對我們的健康有重要的作用——因為它們可以幫助我們測試新藥, 更準確地將藥物送到人體需要的部位, 甚至監(jiān)測并控制癌癥的發(fā)展。
最近在《 Science Advances》雜志發(fā)表的一項研究成果中, 科學(xué)家們想出了如何用光和石墨烯對人類心臟細胞進行實驗，從而在實驗玻璃皿中模擬心臟跳動的環(huán)境。目前為止, 所有正在開發(fā)中的藥物都需要在心臟細胞上進行實驗測試, 以確保諸如止痛藥導(dǎo)致心臟病發(fā)作等事故不會發(fā)生。
實驗中，這些心臟細胞會在實驗玻璃皿或塑料實驗皿中培養(yǎng)生長。但是這樣的實驗環(huán)境與實際的心臟跳動有一個很大的區(qū)別，那就是，玻璃和塑料不導(dǎo)電, 而我們的心臟是導(dǎo)電的, 這就意味著測試并不像研究者想象的那樣真實。
不過有一種材料可以改變這一現(xiàn)狀——石墨烯不僅可以將光轉(zhuǎn)化為電，而且也沒有毒性。在最新發(fā)表的研究中，科學(xué)家們已經(jīng)研制成功了“如何通過改變照射到材料上的光量”來精確控制石墨烯產(chǎn)生的電量的方法。加州大學(xué)圣地亞哥分校的物理學(xué)家亞歷克斯·薩夫臣柯（Alex Savtchenko）說，在石墨烯上培養(yǎng)心臟細胞的實驗中，他們也已經(jīng)做到了可以利用光來控制電流，以模擬不同心臟跳動的頻率的環(huán)境。他們可以模擬心臟跳動快 1.5 倍，快 3 倍，快 10 倍，或者他們需要的任何頻率的環(huán)境。
這意味著科學(xué)家們可以使石墨烯模仿類似于各種心臟疾病的電流模式，這使得測試心臟藥物和其他新藥物變得更加容易。未來，薩夫臣柯（Savtchenko）希望這種方法可以用于研制出更好的心臟起搏器。起搏器主要用于控制心臟的跳動，目前通常由電極制成——不過這些電極可能會導(dǎo)致人體內(nèi)部疤痕的出現(xiàn)。
薩夫臣柯認為，今后我們可以將一塊體積小而壽命長的石墨烯附著在心肌上完成起搏器的功能（石墨烯將由植入在該起搏器附近的微小光源控制，并不會造成疤痕），從而取代電極。如果把視野放的更遠一些，石墨烯甚至可以被用于控制大腦中的電流并治療神經(jīng)退行性疾病，比如帕金森病。 “雖然人類的心臟非常有彈性，但歸根結(jié)底，它仍然只是一個泵”，他說，“利用石墨烯的這一特性，還可以做很多其他事情”。
另一種在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著巨大潛力的材料是黃金。金納米粒子對身體安全無危害，并且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。人們可以給這些納米粒子上覆蓋特定的藥物，借助金納米粒子極小的體積，藥物可以輕松地穿過人體組織，直接進入體內(nèi)需要藥物靶向治療的區(qū)域。
總體來講，主要的技術(shù)思路就是上面所說的這些。不過，林肯大學(xué)的納米技術(shù)專家恩里克·法拉利（Enrico Ferrari）表示，在現(xiàn)實中，一旦將金納米粒子注入人體內(nèi)部時，免疫機制就會被觸發(fā)：這些金納米粒子會立即被血液中已經(jīng)存在的名為血清蛋白的蛋白質(zhì)覆蓋。血清蛋白之后就會號召人體的整個免疫系統(tǒng)，它們之后便會像打擊所有其他身體入侵者一樣攻擊金納米粒子。根據(jù)法拉利的說法，如果免疫系統(tǒng)成功，這種藥物會被降解并最終進入脾臟，而不是我們想讓它去的地方。
為了對應(yīng)這一現(xiàn)象，法拉利研發(fā)了一種新的制造納米粒子的方法，這一結(jié)果最近已發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）雜志上。他給金納米粒子表面覆蓋添加了一層防止血清蛋白攻擊的蛋白質(zhì)。
法拉利說，這就好像我們給這些血清蛋白層安裝了一個配適器。配適器的一端可以和金粒子結(jié)合得非常好，并且可以阻止血清蛋白覆蓋金粒子激發(fā)免疫反應(yīng)；配適器的另一端被設(shè)計成有利于藥物找到治療目標。從理論上講，這種新方法可以對任意類型的藥物或金納米粒子進行試驗，因此法拉利也希望與其他科學(xué)家一起合作，將這一研究從實驗室推廣到實際運用中。
昆士蘭大學(xué)教授、化學(xué)家馬特·特勞（Matt Trau）說，金納米粒子也可用于監(jiān)測癌癥（特勞是這一領(lǐng)域另一項研究的作者，他的研究成果最近也發(fā)表在《自然通訊》雜志上）。癌癥腫瘤在血液循環(huán)過程中通常會分散釋放出一些微小的細胞。這種細胞被稱為循環(huán)腫瘤細胞（CTC），它們彼此之間的差異通常很大，而且還可能會制造更多的腫瘤，因此密切關(guān)注這些 CTC 細胞是十分重要的。
雖然通過一些線索可以找到循環(huán)腫瘤細胞（CTC）的蛛絲馬跡—— 這些細胞通常具有自己特定類型的蛋白質(zhì)，但想要捕獲它們是異常艱難的。捕獲它們和成功抓住整個紐約市的10名罪犯一樣艱難，特勞說。而當“罪犯”是癌細胞時，你就更要確保要成功捕捉罪犯，因為如果你失敗了，就會導(dǎo)致做出錯誤的治療決定。
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圖 | 昆士蘭大學(xué)教授Matt Trau
特勞（Trau）和他的團隊設(shè)計制作了各種類型的金納米粒子，最終他們做到可以成功跟蹤4種不同類型的循環(huán)腫瘤細胞（CTC）中的一種。“你需要準備好所有的粒子，將它們混合在一起，然后將這些粒子投入到血液樣本中。”他說。簡單地講原理就是，這些納米粒子經(jīng)過重重實驗篩選之后可以尋找并附著到指示某種循環(huán)腫瘤細胞（CTC）的特定類型的蛋白質(zhì)上。之后當照射熒光在這些粒子上時，它們會發(fā)出一個獨特的“條形碼”。如果納米粒子發(fā)現(xiàn)并附著到特定蛋白質(zhì)目標上時，條形碼會發(fā)生變化，這樣你就可以知道它找到了哪種循環(huán)腫瘤細胞（CTC）以及每一種找到了多少個。通過設(shè)計不同的粒子可以找到不同的循環(huán)腫瘤細胞（CTC）。
為了這項研究，特勞從已故黑色素瘤患者身上采集了血液樣本，并利用這一技術(shù)分別對這些治療前、治療期間以及治療后的血液樣本進行了測試。實驗結(jié)果顯示，在治療的不同階段血液中都有哪些不同類型的循環(huán)腫瘤細胞，免疫系統(tǒng)是如何反應(yīng)的，以及治療是否有副作用。
現(xiàn)在，他的團隊想要用這種方法來對更多的血液樣本進行實驗，并且跟蹤監(jiān)測更多類型的循環(huán)腫瘤細胞。雖然這次只找到了4種，之后他們將很容易找到更多循環(huán)腫瘤細胞。研究者想要實時進行實驗。
特勞表示：“只要我們可以實時觀看熒光的變化，我們就可以根據(jù)此對患者做出改變劑量的相應(yīng)判斷，這些將會讓我們對癌癥擁有前所未有的了解。”