【科技創(chuàng)新世界潮】

◎本報記者 劉 霞

【資料圖】

據(jù)發(fā)表于《自然》雜志網(wǎng)站的一篇文章解釋，生物物理學(xué)指在跨越分子、細胞、組織和生物體的尺度上研究生物的物理現(xiàn)象和物理過程的學(xué)科，它利用物理學(xué)的原理和方法來理解生物系統(tǒng)。

西班牙《世界報》網(wǎng)站在近日的報道中指出，生物物理學(xué)能夠讓斷骨再生，或者將藥物送達人體內(nèi)某個器官，甚至揭示生命的奧秘，已經(jīng)成為當(dāng)前最具前景的研究領(lǐng)域之一，有可能掀起下一輪醫(yī)學(xué)革命。

兩門學(xué)科相得益彰

生物物理學(xué)組織網(wǎng)報道稱，1953年，科學(xué)家們借助生物物理學(xué)揭示了DNA的結(jié)構(gòu)，這一發(fā)現(xiàn)對于揭示DNA如何成為生命的“藍圖”至關(guān)重要?，F(xiàn)在人們可以讀取人類和多種生物體的DNA序列，生物物理學(xué)技術(shù)對分析這些海量數(shù)據(jù)不可或缺。

生物物理學(xué)領(lǐng)軍者之一、美國哈佛大學(xué)物理學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)教授戴維·韋茨稱，生物物理學(xué)也可被理解為一門從大自然獲取靈感以創(chuàng)造新材料的學(xué)科，但人們也能反過來看：對無生命材料的研究正在幫助科學(xué)家更好地理解生命。

韋茨表示：“隨著對生物材料的理解越來越深，我們可以運用所獲知識來了解有關(guān)活體材料的事情。生物學(xué)和物理學(xué)相得益彰，因為它們提供了兩種截然不同的看待事物的方式：生物學(xué)家研究‘個別分子的每處細節(jié)’，而物理學(xué)家在分析了‘蛋白質(zhì)的許多相互作用’之后，對問題形成更全面的看法。”

制造新型藥物

近年來，生物物理學(xué)最重要的應(yīng)用之一是包載疫苗中核糖核酸（RNA）的納米顆粒，而取得這一成果，要歸功于科學(xué)家們從生物膜中獲得了靈感，同時運用了物理原理。

韋茨表示：“這些包載著RNA疫苗的微型膠囊是多年研究的成果，我們正努力挖掘它們的潛力，并制造出更多東西，比如新的藥物。重要的是，這種技術(shù)為科學(xué)帶來了無窮的可能性，無論是物理、化學(xué)還是生物領(lǐng)域，我們可以為改善這個世界貢獻很多東西。”

推進組織工程

生物物理學(xué)富有前景的應(yīng)用領(lǐng)域之一是組織工程，即制造類似于活體組織的人工材料。這將在醫(yī)學(xué)上擁有廣闊的應(yīng)用空間，如讓人們擁有為自己“量身定做”的材料來修復(fù)或替換受損器官。

這里也不能缺少起著重要作用的物理學(xué)知識。韋茨說：“如果你想要得到一種組織物，就得構(gòu)造一些東西：細胞、細胞周圍的東西，你得讓它們按照某種方式生長，還必須把它們組織起來。”2016年，韋茨的團隊培育出一種人造肝臟組織，用于測試新藥物的療效。

也有一些團隊正在研究人造心臟。為了從頭開始構(gòu)建人類心臟，研究人員需要復(fù)制構(gòu)成心臟的獨特結(jié)構(gòu)，包括重建螺旋幾何形狀——當(dāng)心臟跳動時，心肌會產(chǎn)生螺旋幾何形狀的扭曲運動。

今年7月，哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）生物工程師使用一種新的增材紡織制造方法（FRJS），開發(fā)了第一個具有螺旋排列跳動心臟細胞的人類心室生物混合模型，并證明其肌肉排列確實會顯著增加每次收縮時心室泵出的血液量，這項工作是器官生物制造向前邁出的重要一步，使人們更接近于制造用于移植的人體心臟的最終目標(biāo)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于今年7月7日出版的《科學(xué)》雜志。

但韋茨警告說，這個領(lǐng)域并不簡單。他說：“組織工程學(xué)領(lǐng)域碰到的問題多如牛毛，其中一些我們正在攻克。比如要‘打印’出一塊組織，需要很多人的努力。屆時如果你骨折了，就可以去‘打印’一些東西來幫助骨頭愈合。”

他認為，雖然實現(xiàn)這樣的目標(biāo)非常困難，但“它正在到來”。

設(shè)計更好生物材料

生物物理學(xué)對于理解生物力學(xué)也至關(guān)重要，而掌握了生物力學(xué)原理，有助于設(shè)計更好的假肢、更好的用于藥物輸送的納米材料等。

韋茨預(yù)測的另一項重大突破，正是關(guān)于在人體內(nèi)運輸新一代藥物的，這些藥物有望深刻改變許多治療方法。他說：“以前，藥物往往是非常小的分子，它們很小，才能在你吞服后，通過胃進入血液系統(tǒng)。但現(xiàn)在，人們開始研究更大的分子，所以，如何運輸它們就成了必須關(guān)心的問題。”

正在用于治療新冠肺炎的單克隆抗體或細胞療法是一些已經(jīng)應(yīng)用的例子，但韋茨認為還有許多可能性正在顯現(xiàn)。他說：“我從尋找新藥和新運輸方式中看到一種巨大的機遇。隨著癌癥治療變得越來越復(fù)雜，我們需要更多精練的藥物輸送系統(tǒng)，可以同時提供多種具有不同化學(xué)成分的藥物。”

2019年5月，SEAS研究人員在《美國國家科學(xué)院院刊》上撰文稱，他們開發(fā)出一種納米尺寸的藥物輸送載體，可以同時更有效地提供多種藥物。該系統(tǒng)將低劑量的藥物遞送入小鼠乳腺腫瘤模型后，可以抑制其87%—94%的腫瘤細胞。

改進醫(yī)學(xué)成像

生物物理學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出復(fù)雜的診斷成像技術(shù)，包括核磁共振成像、CT掃描和PET掃描。生物物理學(xué)仍然是發(fā)展更安全、更快、更精確技術(shù)的關(guān)鍵，這些技術(shù)可以改進醫(yī)學(xué)成像，并帶給人們更多關(guān)于人體內(nèi)部運作的知識。

2017年10月4日，瑞士生物物理學(xué)家雅克·迪波什、德裔生物物理學(xué)家約阿基姆·弗蘭克和蘇格蘭分子生物學(xué)家、生物物理學(xué)家理查德·亨德森因研發(fā)冷凍電鏡，簡化了生物細胞的成像過程，提高了成像質(zhì)量，榮獲諾貝爾化學(xué)獎。

正如科學(xué)家所指出的，生物物理學(xué)是一個處于研究前沿的科學(xué)領(lǐng)域，正在以驚人的方式改變?nèi)藗儗ι飳W(xué)的理解和醫(yī)學(xué)實踐。

標(biāo)簽： 生物物理學(xué)