纳米技术（nanotechnology）是一个多学科交叉的领域，覆盖着源自工程学、生物学、物理学和化学的面广而多样的精密器具系列。这些精密器具尤以用于靶向输送抗癌药物和成像反差对照试剂的纳米导向器具为著，其中纳米线圈（nanowires）和纳米悬臂（nanocantilever）系列正处于优先开发状态，以期用于从生物体的各种体液中早期检测癌前病变和恶变病灶，最终为攻克癌症在技术上提供关键性的支持。
在过去四分之一个世纪中，癌症生物学基础理论取得了杰出成就，但是这些成果并没有转化成临床领域中哪怕是大体相应的进展。在注射治疗应用方面，缺乏适当的方法使药物有选择地到达指定靶标而效果甚微，这是造成疗效差异的原因。最引人注目的是：静脉注射单克隆抗体，仅有十万分之一到十的剂量能够到达靶标。在反差对照试剂的成像应用中也存在类似局限性。
在理想的情形中，通过常规的、非侵害性的筛查，对导致肿瘤恶化的转变过程进行早期检测，例如用血样进行蛋白质组学的谱系分析，或者对分子表达谱和器官损害结构进行体内成像。由此，宿主和疾病的生物学状况可以得到确认，从而决定下一步的治疗方案。转化中的细胞群落可以用一种常规的可多次重复并且对健康组织没有副作用的方法进行（治疗的效力可以实时监控，也可以用个性化的预案替代）。如果治疗方案与癌症研究充分结合，纳米技术就可能使上述的一切梦想成真。下面讨论的是沿此路线发展下去会面临的重要挑战：
制定对在体检测和监控癌症标记物的方法
是否能有效地对癌前和肿瘤病灶进行早期检测仍然是一项令人困惑的目标，临床癌症成像技术目前尚不能提供充足的空间分辨率来根据病灶解剖学进行早期检测。为了根据分子表达谱识别恶性病变，所有的成像技术都要求拥有成像反差对照试剂，这些试剂系由与分子识别和击靶试剂（如抗体）进行接合的信号增强材料组成。目前正在开发的纳米粒子技术，可以作为一种多功能的、分子的或物理的击靶对照反差试剂的候选物用于所有的临床成像。目标是识别、检测更微小、更早期的肿瘤及其微环境的分子表达情况，并改善对病灶的解剖学界定。
例如，威斯雷德（Weissleder）及其同事于近期证明了亲淋巴性顺磁性纳米粒子可以对前列腺癌病人的临床隐性淋巴结转移进行磁共振成像，而这种病变是其他任何非侵入性方法都无法检测到的。人们使用树状聚合物晶体（dendrimers）作为钆纳米载体对小鼠乳腺癌淋巴管引流液进行成像，发现此方法可以在临床上替代标记性淋巴结活组织检查；葡聚糖包被的超微顺磁铁氧纳米粒子可以用作常规的核磁共振对照反差试剂，用于脑肿瘤的低磁场外科手术，可以提高手术的成像清晰度、炎症靶击及其可检测性；双峰纳米粒子携带有一个近红外线视觉可检测的荧光染料，它与一种磁共振反差试剂——交联铁氧相连接，可以用于一种脑肿瘤的术前形态学成像和术中病灶的视觉化。
携带分子击靶识别试剂的纳米粒子探针，可以提供包括与肿瘤微环境有关的癌症标签和标记物存在、数量和分布状况的信息。人们将交联的铁氧纳米粒子与5型粘连素连接，可以识别凋亡细胞中存在的磷脂酰丝氨酸，用于对离体培养的Jurkat T细胞由喜树碱诱导的凋亡进行磁共振识别。端粒酶活性是一种细胞无限度复制潜能的标记物，它可以在细胞学水平上进行磁共振检测，使用一种具有生物学“灵活性”的纳米粒子，通过与端粒酶合成的TTAGGG序列相退火接合而转变它们的磁状态。
持续性血管形成是一种重要的用于癌症早期检测的标识，最早发现于子宫颈、乳腺和皮肤等部位的恶变前病灶，被认为是癌症从早期向中期转变的征兆。使用多种不同派生形式的纳米粒子制剂——击靶物αvβ3整合素，多个研究小组已经成功地对动物模型的血管形成进行磁共振成像。人们还发现：在合适的纳米粒子的击靶下，磁共振可以从非常低的皮摩尔水平上检测到表位信号，这标明了其在未来临床应用上的极大前途。
另一种在体分子检测的方法，是使用可移植的感受器在体外转送感受到的信息。尽管这方面已有多年研究，但在临床上使用可移植性分子感受器仍存在困难：在感受器表面会有不需要的、非特异性的血浆蛋白质吸附。这种现象称为生物结垢（biofouling），可导致感受器在背景信号中检测蛋白质的能力丧失。纳米技术研究人员面临的一项挑战是开发可以预防非特异性吸附的表面纳米结构。但更为现实的是，人们期望纳米技术产生新的、对生物结垢惰性的感受战略，例如在对其物理学性能测量的基础上，通过数学方法对污垢分子进行系统性分离。
改善从体外导入体内早期检测癌症生物标记物的技术平台
可用于对大多数癌症进行早期检测的血清标记物尚不可得。用于临床的一些标记物，如前列腺特异性抗原（PSA）和癌胚抗原（CEA），由于其非特异性和在人群中有各自迥异的基底水平表达，对早期检测的有效性极为有限。用尽可能便捷又非侵害性的方法对血清、其他生物体液或任何来源的样本进行可靠的早期检测仍然很重要。
一些纳米技术已成为早期检测平台的现实候选物，最初是表面谱系方法，如比较成熟的DNA微阵列技术和用于蛋白质组学研究的SELDI-TOF质谱仪。在这些方面，从微米转变到纳米尺度的表面性能的控制使信息的质量、数量和密度都有提高。
詹姆士 · 吉姆兹威士科（James Gimzewski）等人发明了全新的分子识别方法，并提出了新的概念：生物分子结合事件可以产生分子间作用力和分子变形，并被特定的选择性感受纳米结构所检测和识别。这些纳米结构的主要范例是微悬臂或纳米悬臂，它们可以使共振频率偏斜和改变，并导致在其自由表面上发生核酸杂交。阿伦 · 马朱达（Arun Majumdar）及其同事使用微悬臂，在十聚DNA靶向寡核苷酸中检测到SNPs（单核苷酸多态性），而且无需使用外源性的荧光或放射活性标记。他们还证明了可以使用微悬臂对PSAC前列腺特异抗原以临床需要的浓度进行定量。但这些试验的特异性和敏感性还没有显现出超过其他常规检测方法的优越性。尽管使用纳米探针已经可以进行单（碱基）配对的错配识别。然而，由于纳米悬臂杰出的倍增能力，它们具有突破性的潜能。
目前，这样的想象是现实的：数以千计的纳米悬臂阵列构成了一个个厘米大小的芯片，使得可以同时读出蛋白质组学表达谱，乃至整个蛋白质组。纳米线圈和纳米管阵列可以在单个的芯片上包含数千个感受器，并因此而具有更为巨大的倍增优势。纳米制作规程使得单位面积上可以容纳巨大数量的相同结构的纳米线圈和微悬臂，从而带来巨大的倍增能力。这些制作规程与微电子元件的制作有许多相似之处，使得它们可以以低成本和高可靠性进行批量生产。
纳米悬臂、纳米线圈和纳米管阵列提供了单个生物标记物转变成多个生物标记物诊断、预后和治疗方案选择的可能性。但这些方法目前受人们关注的程序还非常有限，这主要是不同的抗体或者其他生物学识别分子需要与这些器具进行共价结合，而且信号中尤其是生物积垢造成的噪音重叠令人头痛。对于分析蛋白质组学标记物而言，主要挑战将是在极高浓度的非特异性血浆蛋白质存在的情况下，从低浓度的分子样本中识别蛋白质组学标签。而与悬臂阵列有关的问题是需要进一步开发数学模型，用于确定光柱的曲度压力和生物学识别标签。
纳米粒子在生物学标记物的体外导向体内(ex vivo)检测中也显示出其应用前景。例如，荷载有荧光基团的氧化硅串珠已用于从血样中进行白血病细胞的光学识别；基于金纳米壳的免疫学分析法已开发成功；荧光纳米粒子已用于超敏感的DNA检测系统；而与击靶抗体生物接合的量子点技术已用来识别包括ERBB2在内的分子标签。此外，作为细胞对于化合物m-二硝基苯的应答的定量测量方法，荧光纳米粒子已用来在人类SY5Y神经母细胞瘤和C6神经胶质瘤细胞中检测细胞死亡的一种前体——细胞内钙。
与常规染色法相比，纳米粒子有稳定性和“可协调性”的优点。例如，量子点不会丧失其相对于时间的信号强度；也就是说，它们不会出现“光退色”。而且，纳米粒子的群落各自有不同的颜色，可以与不同的分子靶标抗体相接合。当用一条单一波长的光束照射时，就可以产生单个细胞、细胞群体或者组织的许多分子标记物分布的精细图谱。这会带来如下优点：容易识别接合标记物；得出组织分布的特异信息；在同一个试验中建立新的规程来识别细胞表面、细胞内部和微环境抗原。
有人提出：应用纳米粒子作为检测血清蛋白质组的选择性、富集试剂。这种方法重点用于低分子量的蛋白水解片段，它们可以在卵巢癌和其他癌症中痕量发现。在这种方法中，纳米粒子的用途有两个目标：维持蛋白水解片段的存在，否则这些片段将会被迅速清除；在最丰余的血浆蛋白质的“噪音”中选择性地吸收所需要的分子信号。
多平台诊断纳米技术的联合应用正在开始涌现。美国西北大学纳米技术研究所负责人查德 · 米尔金（Chad Mirkin）及其同事开发了一种“生物条形码”DNA检测技术。该技术包括寡核苷酸修饰的金纳米粒子和磁粒子，并携带一条预定的核苷酸序列作为识别标签。系统的灵敏度可达到500!10-12摩尔，可与PCR（可参考文后的知识卡片）相媲美。但它比PCR更优越，因为它不需要酶学扩增，因而不仅适用于DNA，也适用于蛋白质。还有一个例子，用金纳米粒子修饰的探针已与微悬臂相连接，用来开发一种DNA分析方法，用于单（核苷酸）错配的识别和将分子结合转导成为一种容易探测到的微米尺度的光转向。
提高治疗药物或成像制剂对癌症病灶及其微环境的击靶效率
多靶向战略可用于在肿瘤部位优先浓集注射药剂。例如，供应癌症病灶的脉管系统可能增加内皮穿孔而结构混乱，导致注入颗粒外渗和延缓停留。这是一种肿瘤击靶机制，称为增强渗透和潴留（EPR），由日本的前田（Maeda）教授及其同事所开发。EPR是一种选择性战略，临床上用于由粒子介导的脂质体输送，是新出现的纳米矢量制剂的基础。
包含活性试剂的纳米矢量的分子击靶行为，可以通过将活性的识别基块接合到纳米矢量表面而使之发生。这样特异性就得到了增加，但代价是增加了纳米粒子制备的复杂性、增加了粒子的大小和对于击靶试剂的生物学副反应风险。使用分子靶向的纳米矢量方法比常规的抗体导向疗法至少有四个方面的潜在优势：（1）每一次击靶生物识别可输送更大的治疗剂量；（2）有能力携带多种不同的击靶试剂，使选择性得以增强；（3）有能力把多种绕过生物学屏障的方法整合起来；（4）可以对多种试剂进行共定位输送，从而形成击靶组合疗法。
用叶酸进行纳米粒子的细胞内击靶，已经成功地应用于对带有人类鼻咽癌的去胸腺小鼠肿瘤进行的中子捕获治疗。树枝状多聚体已经证明其可以作为多功能纳米器具，向培养基中KB细胞中的叶酸进行靶击（在细胞内选择性地输送抗癌药物氨甲蝶呤），并通过向纳米矢量连接荧光素而提供光学成像信号。一种三聚体生长抑制寡核苷酸已被有效地用树状聚合物向乳腺、卵巢和前列腺细胞株进行了输送。几种抗原已经被用来优先向血管形成内皮输送纳米粒子。
另一类击靶方法是使用外部的能量作为一种触发剂，来局部激活细胞毒性行为，这已经在动物模型中得到显示。如使用聚焦超声波来引爆脂质包埋的“微泡沫”；对二氧化硅基载体进行的光动力学疗法；以及通过联合使用金纳米壳和在近红外区进行光学激活来对癌症病灶进行局部热切除等。此外，非特异性的物理化学反应也可能有助于纳米载体的局部化。
就所有这些击靶战略的有效性而言，人们期望能通过这些战略的联合使用，取得治疗选择上的最大收获。如联合使用EPR和外部激活方法就是一个例子。此外，多种机制的选择性增益方法可能包括EPR和物理击靶法。
模建研究者V · 克瑞斯特尼（Vittorio Cristini）及其同事们的工作引起了人们对以击靶方式向肿瘤输送细胞毒性药剂问题的重视。他们的工作显示了向肿瘤输送细胞毒性药剂，尤其是抗血管形成药剂，可能产生很高的负效果：会使病灶分离为多个卫星肿瘤区。这种现象叫“扩散不稳定性”，其原因来自于治疗引起的氧和营养供应源的重新分布，该现象说明了准确的空间分布十分重要，这对导向化纳米矢量仍是一项挑战。
美国西北大学化学教授查德·米尔金
治疗药剂在不同时间要达到理想的生物分布并得以维持，还需要对剂量和注射方案进行跟踪研究。药物输送系统可以被植入，使之达到治疗药剂所需要的血浆浓度的时间谱（可用纳米包埋）。将来的药物输送系统可以预编程以达到不同时间有不同的输送速度，或者根据注射部位感受器检测到的环境刺激物进行自我调节。但是，就不远的将来而言，纳米技术改良的目标是实现广谱药剂输送注射的恒速释放。由渗透泵驱动植入的激素类药物亮丙瑞林的恒速输送已经临床用于前列腺癌的治疗，并证明了与控释用药方法相关的潜在优越性。但是，还没有多少药物可以容易地通过渗透泵输送，药物的最大效益可能还得通过植入药物的时间可变性输送来实现。为了解决这些问题，不同的纳米技术正在开发之中。
对纳米粒子进行工程化处理，使其可穿越生物及生物物理屏障将治疗药物或成像试剂从注射点输送到目标靶标的旅途充满了重重障碍，不论是纳米矢量化制剂和“常规”制剂都是如此。以血脑屏障为例，生物屏障是以上皮细胞间紧密连接的形式生成，它们可以阻碍血管注射药物的外渗。基于纳米技术的系统已被证明对穿越血脑屏障有效果，这与其主要构成材料的性质有关。内皮血管的渗透性可因联合注射缓激肽的一种拮抗剂而增加，表明这可以作为改善纳米矢量EPR击靶的一种战略。
共定位输送闭合小带毒素等渗透性改善剂能可逆地打开上皮细胞间的紧密连接，使口服生物分子药剂穿透小肠上皮（它本来是一种有效屏障）进入血管。纳米技术提供的多种功能来自于各种合成粒子，它们可同时携带多种生物治疗制剂、渗透性改善剂和肠壁击靶基块，并且可以保护药物免受酶的降解作用以及延迟药物释放时间。人们还可设计同样复杂但规模更小的各种粒子用于脉管内注射，通过增加药物跨越癌症脉管内皮的外渗作用，来改善自发性EPR击靶的效果或使其更便于渗透通过血脑屏障。
网状内皮系统细胞可以对纳米粒子包埋药物的有效击靶起到免疫屏障的作用,因为它们可将注射的纳米粒子隔绝起来。人们对脂质体10年的研究已经证明，使用聚乙二醇进行表面修饰可以有效地避免网状内皮系统的吸收，使药物的循环半衰期从若干分钟增加到若干小时或者若干天，因此而改善脂质体在肿瘤内部的击靶作用。
纳米矢量还可以触发致敏反应。例如，人们已经发现并阐明了各种富勒烯（fullerenes）的抗体也可以识别碳纳米管。早期的树状聚合物晶体可以带来微弱的抗体应答，但是在这些研究中，蛋白质-树状聚合物晶体结合体却具有强烈的免疫原性。这些经验表明：针对各种纳米粒子增益疗法的致敏反应不是不可能的，但还需要采取恰当的应对措施。
纳米疗法输送过程中的生物物理屏障包括癌症病灶内部渗透压的增加，尤其是在癌症晚期。在其产生的副作用力的平衡作用下，进入肿瘤内部的治疗药物的外渗和扩散受到了抑制，直接注入病灶的药物很容易从病灶内排出。对这一最令人头痛的难题，人们设想的未来解决方案是多阶段、多荷载输送系统，但目前还只有理论架构。
尽管还尚属相对较新的领域，对能够穿越屏障的多功能纳米矢量的研究可能在开发高效低副作用的抗癌治疗战略方面取得有价值的进展。作为2005年1月刚刚通过美国食品与药品管理局（FDA）审批、用于治疗转移性乳腺癌的新药——红豆烷（Abraxane）——代表了这个方向一个富有前途的进展，该药与白蛋白分子结合的紫杉醇纳米粒子组成。纳米粒子化的治疗规程可以不必用抗炎症性类固醇类药物进行预处理，这种预处理在常规紫杉烷疗法中是需要的。而白蛋白可以促进纳米粒子穿越血管内皮的转运作用。白蛋白的联合使用可以提高紫杉醇的临床剂量达50%。
纳米粒子的三重本质更重要的是它们带来了开发大量新治疗制剂的令人激动的机遇：只要将选定的100种药物整合入100种最有前途的纳米矢量，并用100种较好的生物识别基块进行导向，就可以得到100万种新的击靶制剂。即使是在这简单计算的三种量级中出现一个错误，所得到的高效低副作用的潜在产品的数目，也会比现有药物研制程序更令人满意。
知识卡片
PCR是聚合酶链反应（Polymerase Chain Reaction）的缩写，是上世纪80年代中期发展起来的体外核酸扩增技术。1985年美国PE-Cetus公司人类遗传研究室的穆利斯（Mullis）等发明了具有划时代意义的聚合酶链反应。其原理类似于DNA的体内复制，只是在试管中给DNA的体外合成提供以致一种合适的条件，能在一个试管内将所要研究的目的基因或某一DNA片段于数小时内扩增至十万乃至百万倍，使肉眼能直接观察和判断；可从一根毛发、一滴血、甚至一个细胞中扩增出足量的DNA供分析研究和检测鉴定。过去几天几星期才能做到的事情，用PCR几小时便可完成。PCR技术是生物医学领域中的一项革命性创举和里程碑。
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癌症纳米技术发展面面观
一提到纳米技术，我们总是首先会想到诸如不怕油污的新型服装材料、耐磨损的手表表面等“外在”的新事物。但你有没有想到，纳米技术将对人类的生命健康产生巨大的影响？尤其针对人人谈之色变的癌症，纳米技术将从早期预防、初期侦测、准确定位、直接投药等方面，形成一系列的治疗方案。美国科学家甚至预言：要在2015年消除癌症给人类带来的痛苦和死亡。
中国研制纳米疫苗直指13种常见恶性肿瘤
我国科学家已经获得了肿瘤特异性共有抗原，并结合纳米技术和基因工程技术，构建了新型的高效、广谱纳米肿瘤疫苗。肿瘤高发人群如果得到广泛接种，可降低肿瘤发病率，使肿瘤患者在肿瘤切除后能控制复发、转移，降低死亡率。纳米肿瘤疫苗首次应用纳米技术改善了疫苗制备工艺，使疫苗产生了一些新的性质，如靶向性和缓释性。纳米疫苗进入人体后，缓慢释放抗原，提高了抗原生物利用度，免疫效应比较持久。纳米疫苗中还设计了超抗原高度活化的相关细胞，形成相关细胞共同参与、相互协同的有效的免疫反应。纳米疫苗使用了多种肿瘤特异性共有抗原，这些抗原至少可在13种常见恶性肿瘤中有较高表达，可被患者毒性T淋巴细胞识别。我国的肿瘤高发人群及很多癌症患者都适合肿瘤疫苗的接种及治疗。
美国启动专项计划构架癌症纳米技术蓝图
美国国立卫生研究院（NIH）癌症研究所（NCI）召集众多癌症研究和纳米技术方面的专家，提出了一项《癌症纳米技术计划》，旨在将纳米技术、癌症研究与分子生物医学相互结合，实现其在2015年消除癌症死亡和痛苦的目标。为了达到这一目标，NCI将借助纳米技术的强大威力来诊断、治疗和预防癌症。目前NCI已经开始研制最新型的具有一种或多种功能的纳米装置，包括最初期侦测癌症、准确指出恶性细胞在人体内的位置、向恶性细胞准确投递抗癌药物并确定这些药物是否有效地杀死了这些恶性细胞。
NCI目前已开始根据《癌症纳米技术计划》支持跨领域的癌症研究和相关技术的开发，以便把纳米技术和基因组学方面的进展转化为诊断、治疗和预防癌症方面的成果。除了通过院外研究和院内研究来为该领域提供关键的支持外，NCI将建立一个纳米技术标准化实验室，主要用来开发纳米技术设施和装置，为研究人员建立多功能的平台。纳米技术标准化实验室也将是一个产生各种技术数据的中央实验室，以协助研究人员选择用于临床或研究用的纳米装置。
新加坡开发纳米颗粒诊断癌症杀死癌细胞
新加坡国立大学的科研人员利用天然聚合物研制成功可以诊断癌症、又可杀死癌细胞的纳米工具。负责这项研究工作的国大生物工程系助理教授张勇表示，这种利用天然聚合物制成的纳米颗粒具备了适合生物体、有生物功能和可生物降解三种特性。这种纳米颗粒的直径不超过100纳米，科学家在颗粒里面装载诸如量子点、药物、磁性颗粒等各种物质，使这种纳米颗粒成为诊断癌症和杀死癌细胞的工具。量子点受到光源照射时会发光，不同大小的量子点发出不同颜色的光，发光时间可维持几个小时，甚至几天。装载了量子点和药物的纳米颗粒被癌细胞吸收后，经光源照射，科研人员就可辨认哪些细胞是癌细胞，同时把癌细胞杀死。
日本研发纳米探针将药物送到癌细胞核
日本高等工业科技研究院和东京农工大学的科学家利用附有原子显微镜（AFM）的纳米探针观察活细胞的核子。研究人员认为，他们可以用纳米探针来进行分子传输，如核酸、蛋白质或其他与核子有关的化学物质，甚至将来有望实施细胞手术，比如将药物直接送达癌细胞的细胞核内部。标准的AFM探针有3微米长，用来测试细胞并不合适。因此科学家用焦聚离子束对AFM的探针进行改造，得到了直径仅为200!300纳米的有史以来最小的探针。研究人员利用四面体的纳米探针来测试细胞，他们用荧光染料涂在探针表面，用激光扫描共焦显微镜法来检查探针所在的位置。实验表明纳米探针能够透过细胞膜和核膜，到达细胞核。这是人类首次将固体物质插入细胞核中，并能测量出精确的位置，这就为更精确、更有效地杀灭癌细胞创造了条件。纳米探针技术有很多优点：能精确测出探针位置，通过测量力的大小可以估算出探针所在位置，可以用更细的探针测量细胞。现在研究小组正尝试转移核糖核酸、蛋白质及相关化学物质。