生物物理學(xué)(xué)家開(kāi)(kāi)發(fā)(fā)出復(fù)雜的成像技術(shù)(shù)。 圖片來(lái)(lái)源：生物物理學(xué)(xué)組織網(wǎng)(wǎng)

　　◎本報(bào)記者 劉 霞

　　據(jù)發(fā)(fā)表于《自然》雜志網(wǎng)(wǎng)站的一篇文章解釋?zhuān)鏤錮韺W(xué)(xué)指在跨越分子、細(xì)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(guò)(guò)程的學(xué)(xué)科，它利用物理學(xué)(xué)的原理和方法來(lái)(lái)理解生物系統(tǒng)。

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

　　兩門(mén)(mén)學(xué)(xué)科相得益彰

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

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

　　韋茨表示：“隨著(zhù)對(duì)生物材料的理解越來(lái)(lái)越深，我們可以運(yùn)用所獲知識(shí)來(lái)(lái)了解有關(guān)(guān)活體材料的事情。生物學(xué)(xué)和物理學(xué)(xué)相得益彰，因?yàn)樗鼈兲峁┝藘煞N截然不同的看待事物的方式：生物學(xué)(xué)家研究‘個(gè)(gè)別分子的每處細(xì)節(jié)’，而物理學(xué)(xué)家在分析了‘蛋白質(zhì)(zhì)的許多相互作用’之后，對(duì)問(wèn)(wèn)題形成更全面的看法?！?/p>

　　制造新型藥物

　　近年來(lái)(lái)，生物物理學(xué)(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?dú)w功于科學(xué)(xué)家們從生物膜中獲得了靈感，同時(shí)(shí)運(yùn)用了物理原理。

　　韋茨表示：“這些包載著(zhù)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)(shù)為科學(xué)(xué)帶來(lái)(lái)了無(wú)(wú)窮的可能性，無(wú)(wú)論是物理、化學(xué)(xué)還是生物領(lǐng)(lǐng)域，我們可以為改善這個(gè)(gè)世界貢獻(xiàn)很多東西?！?/p>

　　推進(jìn)(jìn)組織工程

　　生物物理學(xué)(xué)富有前景的應(yīng)用領(lǐng)(lǐng)域之一是組織工程，即制造類(lèi)(lèi)似于活體組織的人工材料。這將在醫(yī)學(xué)(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(lái)(lái)修復(fù)或替換受損器官。

　　這里也不能缺少起著(zhù)重要作用的物理學(xué)(xué)知識(shí)。韋茨說(shuō)(shuō)：“如果你想要得到一種組織物，就得構(gòu)造一些東西：細(xì)胞、細(xì)胞周?chē)臇|西，你得讓它們按照某種方式生長(zhǎng)(cháng)，還必須把它們組織起來(lái)(lái)?！?016年，韋茨的團(tuán)隊(duì)培育出一種人造肝臟組織，用于測(cè)試新藥物的療效。

　　也有一些團(tuán)隊(duì)正在研究人造心臟。為了從頭開(kāi)(kāi)始構(gòu)建人類(lèi)(lèi)心臟，研究人員需要復(fù)制構(gòu)成心臟的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，包括重建螺旋幾何形狀——當(dāng)心臟跳動(dòng)(dòng)時(shí)(shí)，心肌會(huì)(huì )產(chǎn)(chǎn)生螺旋幾何形狀的扭曲運(yùn)動(dòng)(dòng)。

　　今年7月，哈佛大學(xué)(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)(xué)學(xué)(xué)院（SEAS）生物工程師使用一種新的增材紡織制造方法（FRJS），開(kāi)(kāi)發(fā)(fā)了第一個(gè)(gè)具有螺旋排列跳動(dòng)(dòng)心臟細(xì)胞的人類(lèi)(lèi)心室生物混合模型，并證明其肌肉排列確實(shí)(shí)會(huì)(huì )顯著(zhù)增加每次收縮時(shí)(shí)心室泵出的血液量，這項(xiàng)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)(guān)研究結(jié)果發(fā)(fā)表于今年7月7日出版的《科學(xué)(xué)》雜志。

　　但韋茨警告說(shuō)(shuō)，這個(gè)(gè)領(lǐng)(lǐng)域并不簡(jiǎn)(jiǎn)單。他說(shuō)(shuō)：“組織工程學(xué)(xué)領(lǐng)(lǐng)域碰到的問(wèn)(wèn)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(shí)(shí)如果你骨折了，就可以去‘打印’一些東西來(lái)(lái)幫助骨頭愈合?！?/p>

　　他認(rèn)為，雖然實(shí)(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)非常困難，但“它正在到來(lái)(lái)”。

　　設(shè)計(jì)更好生物材料

　　生物物理學(xué)(xué)對(duì)于理解生物力學(xué)(xué)也至關(guān)(guān)重要，而掌握了生物力學(xué)(xué)原理，有助于設(shè)計(jì)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(cè)的另一項(xiàng)重大突破，正是關(guān)(guān)于在人體內(nèi)運(yùn)輸新一代藥物的，這些藥物有望深刻改變?cè)S多治療方法。他說(shuō)(shuō)：“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(guò)(guò)胃進(jìn)(jìn)入血液系統(tǒng)。但現(xiàn)在，人們開(kāi)(kāi)始研究更大的分子，所以，如何運(yùn)輸它們就成了必須關(guān)(guān)心的問(wèn)(wèn)題?！?/p>

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

　　2019年5月，SEAS研究人員在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)(xué)院院刊》上撰文稱(chēng)(chēng)，他們開(kāi)(kāi)發(fā)(fā)出一種納米尺寸的藥物輸送載體，可以同時(shí)(shí)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(xì)胞。

　　改進(jìn)(jìn)醫(yī)學(xué)(xué)成像

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

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

　　正如科學(xué)(xué)家所指出的，生物物理學(xué)(xué)是一個(gè)(gè)處于研究前沿的科學(xué)(xué)領(lǐng)(lǐng)域，正在以驚人的方式改變?nèi)藗儗?duì)生物學(xué)(xué)的理解和醫(yī)學(xué)(xué)實(shí)(shí)踐。