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纳米科技将导致“人类的终结”?

巴黎高科评论 / 编辑 / 2014-11-10

纳米科技为医疗保健领域带来了前所未有的新机遇的同时,也引起了空前热烈的讨论。风险评估显然不应仅限于成本收益分析。那么,我们到底该如何正确对待这一新事物?

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当前,纳米医疗的应用范围已相当广泛:最基本当然还是药物,此外,还有疫苗、再生制剂、医学成像以及体外诊断产品。一些产品已经出现在医疗市场上,但大部分仍在实验室或临床试验阶段。

纳米医药的前景不可限量。在纳米世界里,物质的物理属性发生了改变,使用纳米技术的设备和产品能够直接进入细胞内部。这从根本上颠覆了某些疾病尤其是肿瘤的治疗方法。

纳米医疗的福音

对于通常要使用化疗方法医治的癌症,纳米药物被认为提供了非常有效的突破性方法。

法国电力集团医学研究部门的负责人Jacques Lambrozo提醒我们,肿瘤医学的核心难题,其实是药物如何克服人体新陈代谢机制。“因为整个系统的运行都要经过肝脏,极大地限制了注射性药物的使用。传统肿瘤治疗方法会对肝脏造成一定的毒性,使得治疗无法继续。”所以,纳米药物关键是要解决如何绕过肝脏,避免药物分子对身体造成全局性影响。

纳米药物的原理是,药物分子被封装在一个纳米颗粒载体中送入患者体内。这些微粒表面带有识别性标志物即单克隆抗体,能够识别和对准特异性肿瘤细胞施药。

这个过程有三个好处:第一,健康的组织被保存下来;第二,药物完全释放需要一段时间,不同与放射疗法,副作用大,患者被置于射线下的时间必须非常短;第三,纳米疗法能够绕过肿瘤自身的防御机制,直接进入对药物有效成分敏感的癌细胞。

与纳米送药一样,纳米治疗也不一定基于某种化学反应。最近,哈佛大学韦斯生物启发工程研究所利用基因工程和DNA片段取得了一项技术突破。研究团队(肖恩·道格拉斯博士和伊巴切莱特博士)在2012 年2月宣布将利用基因链开发出一种纳米机器人,能够激活细胞内的自杀基因,这其实是一种能够将衰老或不正常细胞消除的自然生物过程,所谓“细胞凋亡”。

韦斯研究所开发的纳米机器人

(纳米机器人就像一个桶,装着携带编码指令的分子,由特殊的DNA锁控制开合。到达靶向目标时,桶就会打开释放出药物分子。图片来源:韦斯研究所)

这个过程很像人体免疫系统的工作机制。正如白细胞平时在血液中循环,处于“待命”状态,一发现被感染和破坏的细胞,就会出击摧毁它们,纳米机器人也能够识别细胞表面的特定蛋白质组合。科学家们将指令附在抗体上来摧毁两种癌细胞:白血病和淋巴瘤。因为直接作用于基因,该实验所能达到的治疗精确性非常显著(了解更多)。另一个例子是利用纳米孔来人为阻碍人体的自发免疫反应。

“真正”的纳米科技,应该不仅仅局限于将已有平台微型化,还应该包括使用纳米级组件创建全新的纳米级平台。在靶向疗法和脑肿瘤成像中使用氧化铁纳米粒子就属于后一种情况:利用纳米载体将各种肽或映体的复合物直接作用于癌变细胞,随后氧化铁纳米颗粒可以在癌细胞中积聚,此时对目标区域施加磁场,就会得到惊人的效果:恶性细胞能量耗尽后,被人体自然淘汰消除。

此外,我们还使用碳纳米管携带电荷来激活神经元。纳米管的形状和直径需要小到能够轻松渗入组织。这种“纤维效应”所需要的某些特性远远高于一般的标准分子。

总而言之,在将药物送到受到极大限制的特殊区域方面,纳米科技可以起到非常重要的作用。这种所谓大分子载体极其敏感,不仅能穿过比如脑血管的生理性保护屏障,尤其是脑血管内膜,还能够穿过细胞膜和细胞核膜。

新问题

对于纳米医药,人们一直担心其对人体和环境的潜在危害。问题是,我们到底该如何评估这些风险?这让事情变得复杂起来。

人们对纳米医药产生争论的大背景,是对整个纳米科技的争议,而争议的根源则在于科学界对于纳米物质行为的相对无知:纳米技术给人与物质世界之间关系造成影响之深远,并不亚于计算机给人与信息之间关系带来的改变。这是一场全新的革命。

到了纳米级,也就是百万分之一毫米的级别,标准科学方法至少在3个范畴上不再可靠。首先,传统的物质状态定义:固态、液态和气态相互交织重叠。第二,各种科学特性间的常用区分方法不再适用。第三,对于生物有机体来说,技术不再是一种外部变量,而是有机体的内部构成。我们正在目睹一场“NBIC会聚”(NBIC convergence)革命,即迅速发展的四大科技领域的协同与融合:纳米科学与技术、生物技术(包括生物制药及基因工程)、信息技术(包括先进计算与通信)、认知科学(包括认知神经科学)。

像这样的会聚在人类历史上并不是第一次。物理和化学在过去的几十年中一直处于相互融合状态,保持了各自特殊性的同时,在应用方面互相交织,界限不再泾渭分明。现在,它们又开始以同样的方式与生物学发生强烈的关联。

纳米科技的崛起本身并不是某种绝对性突破,而是一种系统性的专业融合,因为在纳米世界里,人们所面对的最大挑战是各学科间界限的消融,以及活有机体“入口”的豁然洞开。利用这一特点,越来越多的产品和设备被设计和制造出来,对于治疗目标,有着空前的准确性和效率。

这些设计辅以先进的信息技术,就更是如虎添翼。比如,分子计算机学专家用DNA作为微型电路的组件(甚至备件),设计出来的微型装置可以用来发现并摧毁人类体内的癌细胞,或修复受损的大脑。

总之,纳米科技的发展给人类提供了干预有机体的全新工具,突破了传统方法的限制。然而,与应用上的非凡进展相比,基础研究却显得明显滞后。

风险评估——无法完成的任务?

由于基础研究的滞后,不管对于人体还是环境,对纳米技术的风险进行正确评估都是非常困难的。

目前已得到确认的首要风险,是与纳米粒子使用有关的毒性。法国卫生安全署( AFSSET)从法国市场上使用纳米技术的246种商品中选出4种,分别是:抗菌袜子、加入了纳米二氧化钛(TiO2)颗粒的防晒乳(拥有更好的防紫外线效果)和建筑工人经常接触的自清洁水泥、为防止盐或糖结块的纳米硅食品添加剂,经过仔细分析后发现,抗菌袜子“可以对环境造成绝对严重的影响”,因为纳米银颗粒在使用和洗涤过程中将被释放。如果法国有10%的袜子使用了这种技术,就意味着每年会有18吨金属银被释放到地表水当中。

另外一些危险与纳米颗粒的物理属性相关。纳米合成粒子容易结块,从而导致对环境和生物体的潜在危害。宏观物质颗粒在纳米级别时的表面形态以及新属性也会影响其毒性大小。表面形态可以改变或放大该物质的固有属性,而某些纳米粒子尤其是金属纳米粉末不稳定性增强,可以增大爆炸、易燃和毒性的风险。而且,不要忘记,纳米粒子在理论上可以穿透任何人体和动物的机体保护组织(皮肤、肺部纤维、肠道、胎盘甚至脑血管保护膜),问题严重性不言自明 。

所以,非常有必要区分用于构成非纳米物体如内窥镜的自由微粒(包括处于结块状态的),和固定微粒。后者的风险几乎为零。自由微粒则相反,一旦在空气中散播,将导致环境问题,在食物链中累积则会对我们的健康造成长期危害。

平心而论,纳米粒子并不是纳米科技发展之后才有的,而是早已存在于我们生存的环境当中。例如,柴油机工作时会排放大量的细小颗粒。2004年英国发布的一项研究报告声称,大约有100万的工人正暴露于超细微粒的潜在伤害中,而他们所工作的正是通常被认为是传统科技的部门。但是,间接暴露于纳米颗粒与直接摄入或主动置入人体显然不能相提并论。

“对新事物,我们必须保持怀疑,”Nanobiotix公司董事长兼CEO、欧洲纳米医药技术平台(ETPN,European Technology Platform on Nanomedicine)说,“风险是肯定存在的,但对于患者来说真正重要的还是收益-风险比。”

然而,这个比率计算起来非常困难,因为还存在很多未知的风险。人工纳米粒子的不稳定性也决定了很难对其进行科学分析。从粒子生成到接触人体,两个时间点之间会发生两种现象,实验模式很难把控。一个是粒子结块或凝结;另一个是由于纳米粒子通常比原始物质状态具有更高的表面活性,从而导致实验环境中(空气或培养液)的化学物质对纳米微粒的吸收(气体原子或分子对固体表面的吸附效应)。可见,别说重现某一现象,就是重复之前的实验过程都极其艰难。任何严格的科学方法对此都几乎无能为力。

根本性突破?

除了对生物体和环境的直接危害,纳米科技还面临着更加复杂的伦理争议。例如,纳米药物本质上是在人体与机器之间创造了一种微观交互界面,是一种介于真正的人体和假肢之间的中间产物。通过大脑植入、有机体修复甚至潜能提升,这种技术因此完全可以被用来操控有机体。

在这种情况下,就产生了一个伦理难题。这样的交互界面扰乱了我们对“人”的定义,将人类区分为两种:(因为有机会使用这种技术而)被增强了的人,和普通人。

美国历史学家弗朗西斯·福山就曾声称,纳米科技通过超人主义可能在无意间使“被基因规律和贫乏精神所奴役的人类蒙羞”,从而最终导致人类物种的“终结”。

我们是否该因此坐立不安? 法国国家伦理咨询委员会(CCNE)将纳米技术与另一研究领域相对照,并倡导引入预先防范原则,“从目前来看,神经科学既没有改变我们对宇宙的认识,也没有提出新的框架来揭示甚至提示不可见或不可想象之实体的存在。”

我们的假设是物质颗粒在纳米级别上基本属性将发生改变,但要注意,这种改变的后果甚至改变本身的存在,还只是人们的推测。物质或物体的某部分构成发生改变,会导致物质或物体属性的变化,这在很多专业领域是已被证明的事实,例如门捷列夫化学周期表、物理学中的发射性以及生物学中的基因代码。

纳米科技领域的科学家之所以能够进步如此迅速,全赖隧道效应电子(TUE)显微镜和原子力(AF)显微镜,有了这两种工具,我们今天才能控制物质的原子。然而,原子并非我们所能操控的最基本物质层面。在一些物理学分支领域,科学家们在过去的几十年里一直在尝试解决物质的亚原子构成,并分析在该层级上的物质特性。

正因如此,国家伦理委员会不承认这是一个根本性的技术突破,在他们的描述中,“当前的纳米科学还不足以称之为有关我们这个世界和人类自身的革命性新科学,它没有提出区别于我们以往认识的新命题。相反,它只是教会我们一种新方法来介入我们所熟悉和了解的这个世界。它本身不能代表一场科学革命,而是一场技术革命,最终能否引发新的科学革命,可能会也可能不会。这个专业领域的东西看上去很科学,但实际上它的贡献更多地是技术进步。”

既然研究对象本身都是如此隐晦不明,建立风险评估框架当然更非易事。在这里,预先防范原则显然无法提供神奇的解决方案,但这一原则要求只要导致严重和不可逆转危害的风险可能性存在,就应该采取防范措施,而不仅仅是在结果不确定时要求停止某项行为。

因此,问题的关键转移到了公共和私人决策者手中。一方面,纳米科技可以带来新的发现和应用,另一方面,则是未知的风险。加拿大政府建立了专门的科技伦理委员会来主导针对纳米技术的研究报告。该委员会将纳米药物的所有不确定性纳入考虑,并根据预先防范原则,对未来的决策提出建议,希望政府从可持续发展的角度出发,对所有涉及纳米成分产品的整个生命周期进行严格把关。

在这里,产品生命周期的概念极其重要,决策和政策制定需要把眼光延长到产品功能发挥完结之后。最明智和谨慎的做法是在测试过程中就对所有结果进行系统性质询。还无法确定当前的临床试验是否循了这一要求。但至少,我们能做的是采纳各方意见,从各专业角度进行分析,以改进对纳米技术风险的评估机制,并最终找到更加自信的方法来发展纳米医药。