上海交通大学走进纳米科学课程论文 纳米生物传感器和纳米机器人在降压药物中的应用 作者：李杨扬 学院：生命科学技术学院 学号：5110809048 指导教师：程先华 摘要 随着现代人生活质量的提高，心脑血管疾病已经成为很多现代人死亡原因之一。高血压 是最常见的慢性病，也是心脑血管病最主要的危险因素，但是现在很多患者服用降压药必须 经常去医院调整用量，既不是十分便捷，又有可能感染不必要的疾病。所以生产有效的降压 药物迫在眉睫。纳米生物传感器和纳米机器人是将纳米技术与生物技术相结合的产物，具有 体积小、精度高、可靠性好的优点，具有广阔的应用前景。本文提出用纳米生物传感器和纳 米机器人的技术改良降压药的设想，并从多个方面分析其可行性。 关键词：高血压：降压药：纳米生物传感器：纳米机器人 ABSTRACT With the improvement of the quality of modern life,cardiovascular and cerebrovascular diseases have become one of the reasons of modern death.Hypertension is the most common chronic disease as well as the major risk factor of cardiovascular disease,but now many patients taking antihypertensive drugs must often go to the hospital to adjust the amount of drugs,which not only is very inconvenient,but also increases the risk of being infected with some other diseases.As a result,the production of effective antihypertensive drugs becomes more and more necessary.Nanobiosensors and nanorobots are the product of the combination of nanotechnology and biotechnology,thus possessing broad application prospects with the small size,high accuracy, and reliability.This paper presents an idea to improve ordinary antihypertensive drugs with nanobiosensors as well as nanorobots and analyze its feasibility from various aspects. KEY WORDS:hypertension,antihypertensive drugs,nanobiosensors,nanorobots 1.前言 高血压是最常见的慢性病，也是心脑血管病最主要的危险因素，脑卒中、心肌梗死、心 力衰竭及慢性肾脏病是其主要并发症。在高血压的定义与分类中，将高血压的诊断标准定在 收缩压≥140mmlg和（或）舒张压≥90mmHg。高血压的危害性与患者的血压水平相关外，还 取决于同时存在的其他心血管病危险因素、靶器官损伤以及合并的其他疾病的情况。 2.立题依据 2.1血压 体循环动脉血压简称血压。血压是血液在血管内流动时，作用于血管壁的压力，它是推 动血液在血管内流动的动力。心室收缩，血液从心室流入动脉，此时血液对动脉的压力最高， 称为收缩压。心室舒张，血压下降，此时的压力称为舒张压。血压有极其重要的生物学意义。 正常的血压是血液循环流动的前提，血压过低或过高都会造成严重后果。 2.2现有抗高血压治疗方式 1
上海交通大学走进纳米科学课程论文 1 纳米生物传感器和纳米机器人在降压药物中的应用 作者：李杨扬 学院：生命科学技术学院 学号：5110809048 指导教师：程先华 摘要 随着现代人生活质量的提高，心脑血管疾病已经成为很多现代人死亡原因之一。高血压 是最常见的慢性病，也是心脑血管病最主要的危险因素，但是现在很多患者服用降压药必须 经常去医院调整用量，既不是十分便捷，又有可能感染不必要的疾病。所以生产有效的降压 药物迫在眉睫。纳米生物传感器和纳米机器人是将纳米技术与生物技术相结合的产物，具有 体积小、精度高、可靠性好的优点，具有广阔的应用前景。本文提出用纳米生物传感器和纳 米机器人的技术改良降压药的设想，并从多个方面分析其可行性。 关键词：高血压；降压药；纳米生物传感器；纳米机器人 ABSTRACT With the improvement of the quality of modern life, cardiovascular and cerebrovascular diseases have become one of the reasons of modern death. Hypertension is the most common chronic disease as well as the major risk factor of cardiovascular disease, but now many patients taking antihypertensive drugs must often go to the hospital to adjust the amount of drugs, which not only is very inconvenient, but also increases the risk of being infected with some other diseases. As a result, the production of effective antihypertensive drugs becomes more and more necessary. Nanobiosensors and nanorobots are the product of the combination of nanotechnology and biotechnology, thus possessing broad application prospects with the small size, high accuracy, and reliability. This paper presents an idea to improve ordinary antihypertensive drugs with nanobiosensors as well as nanorobots and analyze its feasibility from various aspects. KEY WORDS: hypertension, antihypertensive drugs, nanobiosensors, nanorobots 1. 前言 高血压是最常见的慢性病，也是心脑血管病最主要的危险因素，脑卒中、心肌梗死、心 力衰竭及慢性肾脏病是其主要并发症。在高血压的定义与分类中，将高血压的诊断标准定在 收缩压≥140mmHg 和（或）舒张压≥90mmHg。高血压的危害性与患者的血压水平相关外，还 取决于同时存在的其他心血管病危险因素、靶器官损伤以及合并的其他疾病的情况 [1]。 2. 立题依据 2.1 血压 体循环动脉血压简称血压。血压是血液在血管内流动时，作用于血管壁的压力，它是推 动血液在血管内流动的动力。心室收缩，血液从心室流入动脉，此时血液对动脉的压力最高， 称为收缩压。心室舒张，血压下降，此时的压力称为舒张压。血压有极其重要的生物学意义。 正常的血压是血液循环流动的前提，血压过低或过高都会造成严重后果。 2.2 现有抗高血压治疗方式
上海交通大学走进纳米科学课程论文 抗高血压治疗包括非药物和药物两种方法。其中非药物治疗主要指生活方式干预，即去 除不利于身体和心理健康的行为和习惯。不仅可以预防或延迟高血压的发生，还可以降低血 压，提高降压药物的疗效，从而降低心血管病的风险回。不过非药物治疗仅作为一种辅助手 段，关键还是要靠药物治疗。常用降压药物包括钙通道阻滞剂、血管紧张素转换酶抑制剂 (ACEI)、血管紧张素受体阻滞剂(ARB)、利尿剂和B受体阻滞剂五类。此外，a-受体阻 滞剂或其他种类降压药有时亦可应用于某些高血压人群。 具体来说，钙通道阻滞剂主要通过阻断血管平滑肌细胞上的钙离子通道发挥扩张血管降 低血压的作用，ACEI通过抑制血管紧张素转化酶阻断肾素血管紧张素系统发挥降压作用， AB通过阻断血管紧张素1型受体发挥降压作用，利尿剂通过利钠排水、降低高血容量负荷 发挥降压作用，B受体阻滞剂主要通过抑制过度激活的交感神经活性、抑制心肌收缩力、减 慢心率发挥降压作用。 HS H 硝苯地平一一钙通道阻滞剂 卡托普利一一ACEI NH2 N=N HN. 缬沙坦一一ARB 吲达帕胺一一利尿剂 OH 酒石酸美托洛尔一一B受体阻滞剂 2.3现有降压药物的不足 虽然可以通过非药物和药物两种方法治疗高血压，但药物治疗显然是最为主要的治疗手 段。现有降压药物的不足与降压药物应用的基本原则有关。 2.3.1小剂量原则和个体化原则 小剂量原则是指初始治疗时通常应采用较小的有效治疗剂量，并根据需要，逐步增加剂 量。个体化原则是指根据患者具体情况和耐受性及个人意愿或长期承受能力，选择适合患者 2
上海交通大学走进纳米科学课程论文 2 抗高血压治疗包括非药物和药物两种方法。其中非药物治疗主要指生活方式干预，即去 除不利于身体和心理健康的行为和习惯。不仅可以预防或延迟高血压的发生，还可以降低血 压，提高降压药物的疗效，从而降低心血管病的风险 [2] 。不过非药物治疗仅作为一种辅助手 段，关键还是要靠药物治疗。常用降压药物包括钙通道阻滞剂、血管紧张素转换酶抑制剂 （ACEI）、血管紧张素受体阻滞剂（ARB）、利尿剂和β受体阻滞剂五类。此外，a-受体阻 滞剂或其他种类降压药有时亦可应用于某些高血压人群 [3]。 具体来说，钙通道阻滞剂主要通过阻断血管平滑肌细胞上的钙离子通道发挥扩张血管降 低血压的作用，ACEI 通过抑制血管紧张素转化酶阻断肾素血管紧张素系统发挥降压作用， ARB 通过阻断血管紧张素 1 型受体发挥降压作用，利尿剂通过利钠排水、降低高血容量负荷 发挥降压作用，β受体阻滞剂主要通过抑制过度激活的交感神经活性、抑制心肌收缩力、减 慢心率发挥降压作用。 硝苯地平——钙通道阻滞剂 卡托普利——ACEI 缬沙坦——ARB 吲达帕胺——利尿剂 酒石酸美托洛尔——β受体阻滞剂 2.3 现有降压药物的不足 虽然可以通过非药物和药物两种方法治疗高血压，但药物治疗显然是最为主要的治疗手 段。现有降压药物的不足与降压药物应用的基本原则有关。 2.3.1 小剂量原则和个体化原则 小剂量原则是指初始治疗时通常应采用较小的有效治疗剂量，并根据需要，逐步增加剂 量。个体化原则是指根据患者具体情况和耐受性及个人意愿或长期承受能力，选择适合患者
上海交通大学走进纳米科学课程论文 的降压药物。这两个原则要求患者对服药的种类、用量做经常性的调整，这便需要患者经常 去医院做相关检查，并根据医嘱服用适当的药物和药量。经常去医院不仅要在来回出行、排 队挂号、交款等处浪费时间和精力，而且还要承担感染其他疾病的风险。 2.3.2联合用药原则 在低剂量单药治疗疗效不满意时，应采用两种或多种降压药物联合治疗。联合用药虽然 能在一定程度上增加降压效果，但各种药物的不良反应也会累加如抑制心脏收缩功能和传导 功能、持续性干咳、疲乏、胃肠不适等，可能会对患者的健康带来未知的风险。 2.4纳米生物传感器 纳米技术和生物技术是21世纪的两大领先技术，作为两者的交叉，纳米生物传感技术 结合了二者的优势，具有体积小、选择性强、灵敏度高、分析速度快和操作简易等特点，将 有望成为多种疾病的诊疗手段。 科学家们受到这些天然纳米传感器的启发，用DNA合成出了新的纳米传感器。当特定 DNA序列与其目标结合时，这些分子开关就会变成荧光，通过简单测量荧光强度来直接确定 细胞内转录因子的活动，以帮助科学家们更好地理解细胞分裂和发育机制0。 2.5纳米机器人 纳米机器人是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作 的“功能分子器件”，也称分子机器人：而纳米机器人的研发己成为当今科技的前沿热点。 2.6想法和创意 所有生物都使用“生物分子开关”来监测环境。这些“分子开关”是由NA或蛋白制成、 可改变形状的分子，其诱人之处在于：它们很小，足以在细胞内“办公”，而且非常有针对 性，足以应付非常复杂的环境。 高血压患者体内也存在着针对高血压疾病的分子，如血管紧张素转化酶、钙离子、B受 体等等。它们是现有常用降压药物的治疗靶点，说明这些物质含量的降低对高血压的治疗有 着十分重要的作用。基于此，我的想法是生产一种能够快速检测血压并能及时释放药物治疗 高血压的装置，通过其在血液中自由游走，定时检测几个与高血压相关指标的含量，并与标 准值进行比较。若某几项高于正常指标，则自动释放适量的药物消除部分含量超标的物质， 直到再次检测各项指标恢复正常，则停止释放药物。根据课上老师讲到的内容和课下查找的 相关资料，我认为将纳米生物传感器和纳米机器人技术结合应该能够达到这一目标。根据纳 米机器人能自由移动的特点让该装置在人体血液中以一定的路径运动，定时发出检测含量的 指令，利用纳米生物传感器检测相关指标的含量，纳米机器人接收测量结果并发出相关指令 释放药物，直到接收到各项指标含量正常的信号，则停止释放药物。这种装置的使用能达到 自动控制血压的目的，完全做到了个性化，免除了患者经常去医院的排队等待时间和感染疾 病的风险，也减少了经常修改药量的不便。 3.可行性分析 3.1项目的创新点 该想法的创新之处主要在于将纳米生物传感器甚至纳米机器人的技术应用与人体内多 种不同分子的监测，并用于高血压疾病的治疗。 3.1.1将纳米技术用于人体内多种分子的监测一一“新式血压计” 目前国内外大部分基于纳米生物传感器的研究都在体外进行，如利用碳纳米管固定化酶、 制作原子力显微镜的探针尖，利用DA制动器还能用于毒探测空气中是否存在病原体等。 将纳米生物传感器应用与人体内也只是近几年的事，而且检测的物质多为DNA和少数蛋白质， 例如美国杰克逊州立大学的研究人员制备出基于金纳米粒子的、小型化的、超灵敏的、激光 诱导荧光光纤生物传感器，用来检测DNA分子：新加坡南洋理工大学的研究人员构建出一种 光纤纳米生物传感器，可成功检测出一般癌症的生物标志物和单细胞水平的端粒酶
上海交通大学走进纳米科学课程论文 3 的降压药物。这两个原则要求患者对服药的种类、用量做经常性的调整，这便需要患者经常 去医院做相关检查，并根据医嘱服用适当的药物和药量。经常去医院不仅要在来回出行、排 队挂号、交款等处浪费时间和精力，而且还要承担感染其他疾病的风险。 2.3.2 联合用药原则 在低剂量单药治疗疗效不满意时，应采用两种或多种降压药物联合治疗。联合用药虽然 能在一定程度上增加降压效果，但各种药物的不良反应也会累加如抑制心脏收缩功能和传导 功能、持续性干咳、疲乏、胃肠不适等，可能会对患者的健康带来未知的风险。 2.4 纳米生物传感器 纳米技术和生物技术是 21 世纪的两大领先技术，作为两者的交叉，纳米生物传感技术 结合了二者的优势，具有体积小、选择性强、灵敏度高、分析速度快和操作简易等特点，将 有望成为多种疾病的诊疗手段。 科学家们受到这些天然纳米传感器的启发，用 DNA 合成出了新的纳米传感器。当特定 DNA 序列与其目标结合时，这些分子开关就会变成荧光，通过简单测量荧光强度来直接确定 细胞内转录因子的活动，以帮助科学家们更好地理解细胞分裂和发育机制 [4]。 2.5 纳米机器人 纳米机器人是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作 的“功能分子器件”，也称分子机器人；而纳米机器人的研发已成为当今科技的前沿热点。 2.6 想法和创意 所有生物都使用“生物分子开关”来监测环境。这些“分子开关”是由 RNA 或蛋白制成、 可改变形状的分子，其诱人之处在于：它们很小，足以在细胞内“办公”，而且非常有针对 性，足以应付非常复杂的环境。 高血压患者体内也存在着针对高血压疾病的分子，如血管紧张素转化酶、钙离子、β受 体等等。它们是现有常用降压药物的治疗靶点，说明这些物质含量的降低对高血压的治疗有 着十分重要的作用。基于此，我的想法是生产一种能够快速检测血压并能及时释放药物治疗 高血压的装置，通过其在血液中自由游走，定时检测几个与高血压相关指标的含量，并与标 准值进行比较。若某几项高于正常指标，则自动释放适量的药物消除部分含量超标的物质， 直到再次检测各项指标恢复正常，则停止释放药物。根据课上老师讲到的内容和课下查找的 相关资料，我认为将纳米生物传感器和纳米机器人技术结合应该能够达到这一目标。根据纳 米机器人能自由移动的特点让该装置在人体血液中以一定的路径运动，定时发出检测含量的 指令，利用纳米生物传感器检测相关指标的含量，纳米机器人接收测量结果并发出相关指令 释放药物，直到接收到各项指标含量正常的信号，则停止释放药物。这种装置的使用能达到 自动控制血压的目的，完全做到了个性化，免除了患者经常去医院的排队等待时间和感染疾 病的风险，也减少了经常修改药量的不便。 3. 可行性分析 3.1 项目的创新点 该想法的创新之处主要在于将纳米生物传感器甚至纳米机器人的技术应用与人体内多 种不同分子的监测，并用于高血压疾病的治疗。 3.1.1 将纳米技术用于人体内多种分子的监测——“新式血压计” 目前国内外大部分基于纳米生物传感器的研究都在体外进行，如利用碳纳米管固定化酶、 制作原子力显微镜的探针尖，利用 DNA 制动器还能用于毒探测空气中是否存在病原体等 [5]。 将纳米生物传感器应用与人体内也只是近几年的事，而且检测的物质多为 DNA 和少数蛋白质， 例如美国杰克逊州立大学的研究人员制备出基于金纳米粒子的、小型化的、超灵敏的、激光 诱导荧光光纤生物传感器，用来检测 DNA 分子；新加坡南洋理工大学的研究人员构建出一种 光纤纳米生物传感器，可成功检测出一般癌症的生物标志物和单细胞水平的端粒酶
上海交通大学走进纳米科学课程论文 基于目前研究，我的想法是将类似的手段用于跟高血压疾病相关的几种分子的检测，以 便及时获得关于血压的数据。众所周知，人们测量血压时需要借助血压计。血压计有电子血 压计、水银血压计和弹簧表式血压计。水银血压计和弹簧表式血压计的使用必须配合听诊器， 由医生或护士判断，得出收缩压、舒张压的读数：不仅操作起来费时费力，而且还占空间。 电子血压计虽然使用简单，携带方便，但其测量的结果仅供医生诊断时参考，这是任何国家 的医疗器械法规所规定的。医生应通过听诊法测量进一步确认被测者的血压。通过以上分析 可以得出，现有的测量血压的方法都不尽完善。针对这个问题，我不禁产生了制造“新式血 压计”的想法。在以往测量血压的过程中都是借助加压来完成的，得到的是压强的数值。而 我设想的是将影响血压的各个主要指标的含量测量出来，经过某种算法得到一个数值作为 “新式血压”的值。这样一来，只需要一个测量各个指标含量的仪器，并不需要外界施加压 力，而一个微型的纳米生物传感器或是纳米机器人完全可以做到这一点。 电子血压计 LOGO 水银血压计 弹簧表式血压计 3.1.2将纳米技术用于高血压的治疗 科学家对纳米机器人的研究目前还处在试验阶段，大到长几毫米，小到直径几微米同， 但迄今为止，大部分研究都是针对癌症的，治疗高血压的药物中并没有应用这种先进技术， 因而经常需要人为地控制药量，并要根据自身体质服用不同种类的降压药。引入该技术后， 上述问题都能得到有效的解决。由于纳米生物传感器和纳米机器人自带检测装置，所以释放 何种药物和应释放的药量都以指标恢复正常为依据，可以自行调节，而不用人工改变。 3.2使用纳米材料的好处
上海交通大学走进纳米科学课程论文 4 基于目前研究，我的想法是将类似的手段用于跟高血压疾病相关的几种分子的检测，以 便及时获得关于血压的数据。众所周知，人们测量血压时需要借助血压计。血压计有电子血 压计、水银血压计和弹簧表式血压计。水银血压计和弹簧表式血压计的使用必须配合听诊器， 由医生或护士判断，得出收缩压、舒张压的读数；不仅操作起来费时费力，而且还占空间。 电子血压计虽然使用简单，携带方便，但其测量的结果仅供医生诊断时参考，这是任何国家 的医疗器械法规所规定的。医生应通过听诊法测量进一步确认被测者的血压。通过以上分析 可以得出，现有的测量血压的方法都不尽完善。针对这个问题，我不禁产生了制造“新式血 压计”的想法。在以往测量血压的过程中都是借助加压来完成的，得到的是压强的数值。而 我设想的是将影响血压的各个主要指标的含量测量出来，经过某种算法得到一个数值作为 “新式血压”的值。这样一来，只需要一个测量各个指标含量的仪器，并不需要外界施加压 力，而一个微型的纳米生物传感器或是纳米机器人完全可以做到这一点。 电子血压计 水银血压计 弹簧表式血压计 3.1.2 将纳米技术用于高血压的治疗 科学家对纳米机器人的研究目前还处在试验阶段，大到长几毫米，小到直径几微米 [6]， 但迄今为止，大部分研究都是针对癌症的，治疗高血压的药物中并没有应用这种先进技术， 因而经常需要人为地控制药量，并要根据自身体质服用不同种类的降压药。引入该技术后， 上述问题都能得到有效的解决。由于纳米生物传感器和纳米机器人自带检测装置，所以释放 何种药物和应释放的药量都以指标恢复正常为依据，可以自行调节，而不用人工改变。 3.2 使用纳米材料的好处
上海交通大学走进纳米科学课程论文 纳米例子主要是针对尺度为1nm~100m之间的粒子。该尺寸处在原子、分子为代表的 微观世界和宏观物体交界的过渡区域，有着独特的化学性质和物理性质，如表面效应、小尺 寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，呈现出常规材料不具备的优越性能。其中， 表面效应的存在使得纳米材料具有很大的比表面积，能够结合更多的受体，提高检测的灵敏 度。而且，纳米材料具有小尺寸的特点，因而能在血液中自如游走，便于人们全面感知身体 的各类信息，包括血压状况。 3.3技术方案 设想出整个装置的构造简图如下： 纳米生物传感器 纳米机器人 表面用基团成膜修饰 表面用茎团域膜修饰 开关1 电容器1 药物1 换能器 开关2 电容器2 药物2 开关3 电容器3 药物3 指令区 给药区 微型导线 特选是其余 检测区 表面用基团或膜修饰 装置应由三部分组成：纳米生物传感器、纳米机器人和连接物，共分为指令区、检测区 和给药区。其中，检测区位于纳米生物传感器中，指令区和给药区位于纳米机器人中，二者 用一定长度的微型导线连接。为使装置具备一定的生物相容性，避免被免疫系统攻击，可分 别用相应的基团修饰各个区域，或是直接用磷脂双分子层分别包裹在表面。下图中用于游动 的尾巴保证了装置的自如运行。 5
上海交通大学走进纳米科学课程论文 5 纳米例子主要是针对尺度为 1nm～100nm 之间的粒子。该尺寸处在原子、分子为代表的 微观世界和宏观物体交界的过渡区域，有着独特的化学性质和物理性质，如表面效应、小尺 寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，呈现出常规材料不具备的优越性能。其中， 表面效应的存在使得纳米材料具有很大的比表面积，能够结合更多的受体，提高检测的灵敏 度。而且，纳米材料具有小尺寸的特点，因而能在血液中自如游走，便于人们全面感知身体 的各类信息，包括血压状况。 3.3 技术方案 设想出整个装置的构造简图如下： 装置应由三部分组成：纳米生物传感器、纳米机器人和连接物，共分为指令区、检测区 和给药区。其中，检测区位于纳米生物传感器中，指令区和给药区位于纳米机器人中，二者 用一定长度的微型导线连接。为使装置具备一定的生物相容性，避免被免疫系统攻击，可分 别用相应的基团修饰各个区域，或是直接用磷脂双分子层分别包裹在表面。下图中用于游动 的尾巴保证了装置的自如运行