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纳米与生命:纳米技术如何重塑医学和生物学的未来
索尼娅·孔特拉
2021-12-08 14:15 
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【编者按】
21世纪以来,多学科的交叉融合正带来一场变革,这不只是在技术领域,也涉及我们与物质世界在生理、文化和哲学层面的联系。《纳米与生命:纳米技术如何重塑医学和生物学的未来》一书为我们展示了物理学、生物学和纳米科学技术交叉融合的科学领域——以生命为核心的新科学。本文为该书第5章《总之,生命改变一切》,澎湃新闻经中信出版集团授权发布。
我们当今这个时代的经验,以技术的加速部署为标志,正在以各种形式、各种尺度重塑着地球上的生命。在这个动态又矛盾的场景中,充满了希望与威胁,生命本身也已成为科学研究的主要对象。过去4 个世纪中所有科学积累的知识,最终达到了探究、理解、修正并利用我们自身生物复杂性的层级。
在所有复杂性层面上研究并模拟生命的那些技术与理论工具的出现,正在为生物学研究和医学实践创建不同凡响的新前景。尽管上一代还原论者的观点,也就是将生物简化为分子与基因,仍然在很多生物医药研究以及一些传媒与大众文化中流行,但是一股即将带来根本变化的浪潮正在悄然崛起。新的定量生物学被理智的物理学框架改变,由纳米技术(在纳米尺度对物质进行研究并加工的技术)推动,试着将纳米尺度的基因与分子整合到全宇宙的组织原理中。这种生命的新物理学试着去发现那些让复杂生物行为跨越尺度涌现的底层规则,从纳米(原子与分子)到微米(细胞及其亚结构)再到宏观(组织、器官以及整个多细胞生物体)。正如我在第1章里总结的那样,这种诠释生命的方法将生物学放在了数学、物理学与工程科学的交界面上,而且将会从根本上改变我们发现、解释并治疗疾病的方法。更深刻的是,它改变了“科学文化”,使生命和人类存续(以及历史)重新回归到宇宙本身的连续体中。它不仅为我们更深入理解生物与物质开辟了道路,还邀请我们修正自己关于自然的立场,从而改变人类文化史的轴线。
第2章展现了定量生物学是如何与全新的材料科学携手出现的,这些材料科学利用全新理解的生物学力量,以原子精度和前所未有的功能塑造物质,用蛋白质和DNA制造微小的结构和机械。通过“像生物那样制造物质”进行学习,科学家揭示了生物结构背后的物理原理,以及生命本身在纳米尺度的涌现。这使得我们有可能创造出一个“固有材料富足”的未来,生物学和材料科学就此融合在一起,满足我们技术与医学上的需求和梦想。新的生物纳米技术得益于物理学、生物学、化学、机器学习、公民科学家群体、合成生物学与数学建模的融合。在医学的影响下,它们已经实现了令人震惊的突破,例如设计出具有进化潜力并能够彻底改变疫苗的类病毒结构,或者是能够组装出其他方法难以合成的化学物质的DNA机器人。
根据第1章和第2章中的观点,21世纪的第一波纳米医学研究(在第3章中已经总结)通过将药物装载到纳米颗粒中,努力提高药物的输送能力,并通过反复试错的办法瞄准肿瘤,这看起来已经过时了。通过模仿药剂学研究的策略,纳米医学在很大程度上再现了药剂学的失败。这些经验教训再次说明,在设计新的治疗方法时,生物的多尺度复杂性是不能被回避的。尽管生物物理学的知识与技术都处在早期阶段,这让它目前还不可能设计出准确无误的药剂或治疗方法,但我们再也不能忽视生物学中分子原教旨主义观点的局限性。
发现药物是一项宏伟的全球性事业,也相应地受到了惯性的阻碍。短期内,聚焦于分子的这种近乎排外的还原论还不太可能发生变化。除了经济和组织架构的限制,现在生物医学科学家所受的教育,也不允许他们轻松地转向需要扎实的数学与物理学基础才能构建的疾病新模型。这意味着事情将会进展得很缓慢,至少在那些医药巨头和学术机构已经演化到养活这些科学家的国家,问题是根深蒂固的。目前,生物化学、细胞生物学以及医药实验室里日常开展的任务正在逐步自动化,看起来这有可能会促成变化的加速。
与此同时,生物学中的还原论观点还在继续蔓延。大量的研究致力于获取基因表达与细胞中蛋白质及化学成分的细节信息,利用高通量技术将生物学带入“大数据”时代。一些所谓的组学——基因组学、转录组学、代谢组学与蛋白组学,被用于收集以拍字节(1拍字节相当于100万吉字节,即250字节)计的数据,从而构建出模型并验证,通常没有考虑细胞的物理实体。这一方法通过将出现在其中的基因及表观遗传标记与表达出的蛋白质关联起来,试图给生命算法输出的结果进行编码,但是似乎并不关心这一算法真实的物理学机制,并且在很大程度上忽视了涌现的原则:生命的“整体大于部分之和”。这不仅对我们理解生命带来影响,同样也会对药物及药物靶点研究的成功造成影响。尽管这些大数据方法,也许已经证实了一种有用但成本高昂的方法可以识别出某些分子靶点,未来的药物设计却需要考虑细胞和组织环境中蛋白质功能完整的物理图景。否则,药物将很难找到它们的目标,或者细胞会让它们失活。引进更多定量生物学的方法,也可以缩小范围,减少构建算法搜寻“组学”输出结果之间关联性所需的努力——不管新型计算机的硬件与人工智能有多强大,这些输出结果的数据量都大到惊人,以至于实际上并没有多少用。
如果以真实的机械论假设为导向,那么机器学习和人工智能可能是最有用的。打个简单的比方,目前的大数据“组学”策略就好比是花上很长一段时间,把宇宙中每一颗星星的位置都绘制出来,然后借助机器学习算法,搞清楚所有星星运动之间的关系……同时忽略引力的存在。
希望生物医学研究团队能够将他们的精力重新部署在更好的策略与协作中,这或许能让他们得出天文学家和粒子物理学家很早以前就已经获知的结论:要想解决最为困难的科学问题,在大型国际研究项目中进行合作是最好的办法。
在目前的药物设计与输送领域,毫无疑问,最有希望的抗癌策略是免疫疗法。免疫疗法摆脱了基因与分子的教条,也摆脱了根据局部计算整体的蛮力方法,而是利用生物本身对抗疾病,从而整合了所有必要的尺度。它的成功,不只是孕育出更好的治疗方法,还会催生出更多生物医药发展中所必需的多尺度定量研究类型。在第3章中展示的最新研究表明,纳米技术可以有助于克服免疫疗法现有的局限,并提升免疫系统在抗癌响应方面的稳定性。正如我们所见,将纳米颗粒瞄准免疫系统的树突细胞,要比将它们瞄准癌细胞容易得多。纳米颗粒也可以在肿瘤的局部环境中,被用于制造一种免疫应答,同时降低全身毒性:通过延长颗粒在肿瘤位点的滞留时间,它们可以释放出极强的免疫刺激分子,并仍然可以促进整个机体的可控响应。有一个特别有趣的方法是利用植入体招募并刺激免疫细胞攻击肿瘤细胞,就如同缓释的癌症疫苗那样有效地工作。
然而,仅仅是更有效、更有靶向精准性的药物,仍然不足以带来我们在医学研究中努力追求的那种变革。我们需要能够理解并预测药物在个体中的效应。没有这样的理解,那些能够对大部分患者有效的药物往往也不会被批准,因为比如它们会在一小部分人体内产生令人难以忍受的副作用,但这一小部分仍然不是一个小数字。显然,仅仅分析基因和蛋白质的复杂网络,并不足以设计出那种对每一位患者都有效的癌症治疗方案。
为了向个性化医学发展,我们还必须寻求突破,不只是在实验室里从孤立的细胞中收集数据,而是要实时地直接从活体内的分子与细胞中获取物理与生化信息。全世界的研究团队已经设计出可植入的生物传感设备,其中有很多是纳米颗粒或纳米结构,它们能够探测细菌、病毒或与它们相互作用的分子(例如抗体、外源性蛋白质、DNA片段或葡萄糖),甚至与外界交流它们的状态。(最初的应用是针对糖尿病,例如监测葡萄糖水平的隐形眼镜,或者能够同时探测葡萄糖浓度并受控释放出胰岛素与之反应的可植入材料,都已经在实验室里得到测试。)目前正在被研究的还有几种探测策略,从石墨烯或碳纳米管的电学性能,到能够和目标分子结合后改变颜色的纳米材料。很多这样的系统都利用抗体导向追踪到特定的分子,但是就我们在过去15年中研究的结果来看,用抗体抵近特定的分子,还要同时能够探测到与目标的结合,并不是一件容易实现的事。由于分子的尺寸以及生物环境的复杂性,从生物器官中获取有意义的数据,仍然是个挑战。
在药物输送与生物传感两个方面,当前策略的成败正促使科学家深入研究分子在纳米层面相互作用的基本机制,以及细胞和组织层面上纳米机制的整合。
这就要说到大数据和算法的应用了。为了构建新的模型,将生物学多层次、多尺度的物理特性纳入其中,生物传感设备就需要从大量病患和健康人群(包括男性和女性;目前大多数医学研究都是在男性志愿者或是雄性大鼠身上进行的,这令人有些意外,或许也不意外)的样本中收集相关的实时数据。为了分析这些未来生物传感平台的大数据,有必要开发深度学习的算法并与之结合。目标是开发多尺度机制的模型,通过纳米尺度的物理学,以及在不同尺度之间形成联系的相互作用,对生物功能进行阐述。反过来,这些模型还会回溯到算法中,对算法进行细化,同时也被算法细化。
第4章的主题组织工程学是一个正在崛起的领域,它不只让器官的修复成为可能——甚至是器官的再生与替换,同时也是一个竞技场,以生物学和医学为代表的基础科学正在这里取得十分重大的进步。在一个大型活体生物中研究(或者更实际一些说,只不过是识别)所有相关的定量数值,仍然是一个不可能完成的任务,但是组织工程学可以构建出人工生物组织,在其中所有跨越不同尺度的相互作用(化学、物理、电子、机械以及基因各方面的)都可以在受控的环境下被研究,并且开始为模型的建立提供信息。与此同时,用于持续监测细胞培养以及构建“芯片上的器官”的实验级生物传感器,将开始生成活体组织的实时数据,使技术发展到以后在生物体内应用成为可能。创建生物传感器技术,使对生命进程的监测达到分子精度,并且创建组织的机械模型,将这些分子级的进程与宏观相联系,这有可能会在不久的未来成为组织工程学对医学和生物学最重要的贡献。组织工程学模型对于理解并构建靶向药物输送模型而言,也是非常有用的,而且可以预测,这样的人体组织与器官模型最终将在药物测试中替代动物。
随着技术进步,越来越智能化的活体组织自动培养将会替代分子生物实验室和生化实验室里大部分工作,而这些工作如今还依赖无聊的重复实验,博士生、研究员以及博士后们正无休止而忘我地把时间花在上面。新型机器人技术会生成生物大数据,这些数据可以被物理驱动的机器学习算法分析与分类,从而帮助科学家构建出更复杂的生物模型。随着人工智能变得能够关联因果,它也将逐步被应用,以分子级的分辨率和多层次的认知对生物进行监测。以细胞培养与组织工程为基础的设备与模型终将在动物研究中发挥作用,再后面是进入人类医学,最终成为一种能够监控并修复我们身体的技术——也许还能以实时、个性化的方式实现。这一技术也许会基于复合的跨领域材料设备实现,其中同时应用了有机与无机的材料及原理,从而实现实时的超增强免疫系统。
我们距此还很遥远。但是,随着第四次工业革命发展,始于医学背景下纳米技术和生物界面上的研究,还将继续与其他科学和技术融合。它将纳入更多的数学模型、人工智能和机器人技术,并且会在纳米层面上创建出一个越来越精细的知识体系,囊括生物学与材料科学。纳米尺度的设备将会被用于研究生物学;生物学则会被用于启发并改良跨领域材料设备,以模拟生物的一些特性,并整合一些在生物界不可能获得的特征。上述两个领域所应用的物理学,最终会带来一种崭新的材料科学,将生物和无机材料整合在一起,正如你在第4章中见到凯文·基特·帕克的先锋软质机器人所预言的那样。
除了医学以外,物理学融入我们对生物学的理解中,还对我们的身份和与自然之间的关系产生深远的影响。物理将我们从基因的一维还原论分子桎梏中解脱出来,让我们能够放飞自我, 就像是从宇宙深邃且多尺度的构造中涌现出来一样。最终,生物学在机械力、能量、空间与时间的相互作用中得以实现,给了我们这个世界,也赋予我们感觉、智力与意识,还有我们利用技术学会如何治愈、再生并重塑我们自己、我们的文化与环境的巨大力量。生命的新物理学让我们能够更深入地探索人类直觉的物理基础,去进行科研,去挖掘无生命与有生命物质的基础;它暗示了连接创造力、直觉和知识(换句话说,就是艺术、人文与科学)的底层基础。
生物学在物理学和工程学领域受期盼的出现,将我们的观点重新定位并产生了新的融合。科学研究中产生的这些问题,越来越多地和哲学、艺术以及人文学科对人类存在本质的追问相呼应:生命和智能是什么,它们是从哪里产生的?随着我们获得对物质和生物越来越多的控制权,我们在这个世界上处于何种位置?一开始,这些问题是在纯科学的背景下被确切表达的。但是,当我们重新提出这些问题时,我们需要和自打一万多年前早期文明诞生时就已经提前占据人类文化的信念、直觉和质询重新进行连接并进行检验。现代科学与文化史的连接,把我们带到此刻正站立的岔路口:一条道路通往前所未有的人类进步图景,另一条道路通往源于我们本性的盲目开拓。
在过去的4个世纪中,科学给我们带来很多技术,以至于我们曾沉迷于完全操控自然的幻想。如今的社会很大程度上将自然视为一种商品,处于引导技术以提取其经济价值的各个系统的服务中。我在本书中总结的科学发展,将人类的生物学与生命本身嵌入这种自然商品化的基质中。我们的身体和意识,是经济开发的下一个前沿领域。
如果我们想成为一个成熟的科技物种,并且作为人类真正地活着,我们就需要面对在我们尚未成熟之时对技术的应用,并使之成长为新的社会与经济系统,让我们更深刻地理解自己生存的意义。在历史的这个时刻,除了在物理、经济和社会意义上成熟地变为“整体的一部分”,我们别无选择,而且要推进我们与自然之间新型关系的建设,从而让我们得以生存。在结语中,我会论证科学与文化的重新连接正在我们的实验室中发生,并指向正确的方向。《纳米与生命:纳米技术如何重塑医学和生物学的未来》,[西]索尼娅·孔特拉(Sonia Contera)著,孙亚飞译,鹦鹉螺|中信出版集团2021年10月。

责任编辑:方晓燕

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我是青年科普作家孙亚飞,纳米科技为何攸关人类健康,问我吧!
孙亚飞
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