纳米医学：科学、产业及其影响

第一章 概述
1.1 何为纳米医学?
1.2 何为转化医学?
1.3 何为创新?
1.4 何为知识产权?
1.5 从IP到IPO
1.6 纳米医学的影响
第二章 从原子到蛋白质
2.1 原子和分子
2.2 生命的原子
2.3 生命的分子
2.4 氨基酸
2.5 蛋白质
第三章 遗传学与DNA测序
3.1 DNA与遗传密码
3.2 从DNA到蛋白质和细胞
3.3 遗传学发展史
3.4 遗传学的分子基础
3.5 DNA测序和人类基因组计划
3.6 测序技术
3.7 测序数据分析
3.8 生命伦理学
3.9 测序技术和人类基因组计划的商业价值
3.1 0人类基因组计划的后续“组学”计划
第四章 生物制药
4.1 生物医药研发的阶段和临床研发
4.2第一阶段：药物发现
4.3第二阶段：临床前研究
4.4第三阶段和第四阶段：临床试验和美国FDA审查
4.5 “生物制品”的重要性
4.6 生物标记和个体化医学
4.7 生物制药研发的过去和未来
4.8 半导体：合作促进步
4.9 生命科学产业：知识产权的独占和有限的合作
4.10 创新医药计划和加速医药伙伴关系
第五章 纳米医学
5.1 计算机在纳米医学中的应用
5.2 生物相容性纳米颗粒和靶向给药
5.3 生物医学和分子成像
5.4 纳米诊断学
5.5 再生医学：干细胞，基因治疗与免疫治疗
第六章 纳米医学的影响
6.1 肠道微生物
6.2 中枢神经系统：脑和脊髓
6.3 癌症和免疫学
6.4 心血管疾病
6.5 糖尿病
6.6 传染病
6.7 组织和器官移植
第七章 医疗保健体系和生物医学研究基金
7.1 一切为了患者／消费者
7.2 医疗服务的提供者
7.3 基础生物医学与转化研究的资助前景
第八章 公共卫生与全球卫生经济学
8.1 医疗保健费用、婴儿死亡率和平均预期寿命的全球概况
8.2 美国健康数据
第九章 结论
参考文献

M·何亨伯格，瑞典乌普萨拉大学量子化学博士，1985年始任IBM公司生命科学领域负责人，主管学术与产业合作，一直在计算生物学、结构工程、计算机网络和不错计算等前沿领域工作。2013年底退休后创办美国HMNanoMed公司。

    靠前章 概述

    1.1 何为纳米医学？

    “ nano”源于希腊语。希腊语的“nanos”指侏儒或者小矮人。作为前缀，nano-表示“很小，精致”的东西。作为计量单位的前缀，它有更准确的含义：

    “纳”（nano，n）表示“十亿分之一”或10-9，

    类似地，

    “分”（deci， d）表示“十分之一”或10-1，

    “厘”（centi， c）表示“百分之一”或10-2，

    “毫”（milli， m）表示“千分之一”或10-3，

    “微”（micro， μ）表示“百万分之一”或10-6，

    “皮”（pico， p）表示 “万亿分之一”或10-12，

    “飞”（femto， f）表示“千万亿分之一”或10-15，

    “阿”（atto， a）表示“十的十八次幂分之一”或10-18，

    “仄”（zepto， z）表示 “十的二十一次幂分之一”或10-21，

    “幺”（yocto， y）表示“十的二十四次幂分之一”或10-24，

    “古高尔”（googol）是一个很大的数字——10100，是1后面跟着一百个零！

    “分”“厘”“毫”是1795年靠前计量大会（CGPM）作为公制计量法的一部分而制定的。靠前计量大会于1960年加入了“微”“纳”和“皮”。剩下的四个单位“飞”“阿”“仄”和“幺”是靠前计量大会于1991年在位于巴黎西南郊的塞夫勒召开的四至六年一次的会议中制定的。

    “纳”（nano）为什么如此特别？

    “纳米”（nanometer）是分子生物学中一个常用的计量单位，而分子生物学是现代生命科学中的一门（也许是很重要的）学科。例如，一个DNA 分子的直径是2～3纳米。

    我们说到“纳米粒”（nanoparticle）时，通常指的是直径在1～100纳米的粒子。

    纳米粒被普遍认为是现代科学的研究成果，但它其实有着很好久远的历史。美索不达米亚地区属于即底格里斯-幼发拉底河流域，包括今天的伊拉、科威特、叙利亚东北部、土耳其东南部和伊朗西南部。这一地区的艺术家们早在公元9世纪就开始使用纳米粒了。那些古老的银和铜的纳米粒均匀分散在光亮的釉质中，在陶器表面闪闪发光。

    迈尔
    法拉第（Michael Faraday）在1857年抢先发售揭示了纳米级金属的视觉特性，从而解释了其 “闪闪发光”的原因。

    纳米粒具有重要的科学和技术意义，因为它们常常拥有由量子效应导致的出乎意料的光学和其他特性：当我们接近分子和原子尺度时，经典的牛顿物理定律似乎不适用了。

    而纳米医学是将纳米技术在医学诊断与治疗上的应用。纳米医学是基于纳米技术的，是物理与生命科学交叉的新领域。欧洲科学基金会（The European Science Foundation）1把纳米医学定义为“诊断、治疗和预防疾病与伤痛以及改善人类健康的科学和技术”，把纳米医学的目标进一步定义为“利用改造的装置和纳米结构在分子水平上控制、修复、保护和改善人体的所有系统”。关于“纳米尺度”存在许多争议，渐渐形成的共识是：纳米材料的尺寸应该在1到100纳米之间。

    在本书中，纳米医学的定义很宽泛，涵盖了DNA和RNA测序、干细胞、再生医学甚至电脑科技等主题。为了取得纳米医学的突破，物理、化学和技术学科——如结构力学与材料科学（例如用于半导体的开发与制造）的进展必须与生物学、遗传学、生理学、解剖学及其他生命科学的进展相结合。

    纳米医学的冲击力取决于纳米医学的突破能在多大程度上转化为对患者的临床护理。

    1.2 何为转化医学？

    拉格纳
    格拉尼特（Ragnar Granit）、霍尔登
    凯弗
    哈特兰（Haldan Keffer Hartline）与乔治
    沃尔德（George Wald）因为“发现了有关眼睛中基本的生理及化学的视觉过程”2分享了1967年诺贝尔生理学或医学奖。

    这个事例阐明了本书的主旨：在分子水平上理解生理学对于医学技艺的发展是必不可少的。将分子科学“转化”为生物途径并将其联系到对患者的临床观察，我们就创造出了新的医疗方式。

    阿尔弗雷德
    诺贝尔（Alfred Nobel）3决定在遗嘱中设立物理学、化学、生理学和医学、文学以及和平奖时，限定了每个奖项的获奖人数很多为3个，并且不允许为已故者颁奖。他将前4个奖项的决定权给予瑞典皇家学院（Royal Swedish Academies），把和平奖的颁奖权给了挪威议会（Norwegian Parliament）。靠前届诺贝尔奖始于1901年4。瑞典中央银行（Swedish Central Bank）于1968年决定增加一项诺贝尔经济学奖。

    1967年的诺贝尔生理学或医学奖尤其值得关注。获奖者拥有不同的地域和文化背景，展示出“生命科学”研究领域的多学科交叉所导致的重大突破，也提出了环境刺激对科研事业成型阶段的重要性。三位获奖者的情况如下。

    格拉尼特于1900年出生于芬兰赫尔辛基，父母都说瑞典语。在完成实验心理学的预科后，他决定再拿一个医学学位。他曾在英国的牛津大学、美国的宾夕法尼亚大学、芬兰的赫尔辛基大学与瑞典的卡罗林斯卡研究所（Karolinska Institute）做研究。1920年至1947年前后，格拉尼特的主要研究领域是视觉，研究始于19世纪20年代的心理物理学，终于19世纪30年代初的电生理学。随后，他将兴趣转向肌梭及其运动控制，进而研究脊髓。

    哈特兰生于美国宾夕法尼亚，父母都是教师，父亲还是一位生物学教授。哈特兰利用暑期在马萨诸塞州的伍兹霍尔海洋生物实验室实习，之后在马里兰州巴尔的摩的约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University）学习物理。他获得了宾夕法尼亚大学的约翰逊基金会的游学奖金，便利用三个学期与两位有名的德国物理学家——莱比锡的沃纳
    海森伯格（Werner Heisenberg）5和慕尼黑的阿诺德
    索末菲（Arnold Sommerfeld）6一同工作。1931年春回到美国之后，他在宾夕法尼亚大学与纽约的康奈尔医学院研究视神经。他很开始的研究对象是鲎与青蛙，20世纪40年代初转而研究人类视觉，在约翰霍普金斯大学工作多年，卓有成就。很终，他接受了纽约的洛菲勒大学视觉生理学教授的职位。

    沃尔德生于美国纽约的德裔移民家庭，祖上曾是奥匈帝国的臣民。他在纽约的哥伦比亚大学攻读生物学和动物学，毕业后在柏林-达勒姆的奥托
    沃伯格（Otto Warburg）7实验室和苏黎士的保罗
    卡勒（Paul Karrer）8实验室里工作，度过了振奋和多产的两年。在柏林，他抢先发售在视网膜中发现了维生素A。他在苏黎世验证了实验结果，然后在海德堡与奥托
    迈尔霍夫（Otto Meyerhof）9合作。他在芝加哥大学短暂停留之后，在哈佛大学继续他的研究生涯。沃尔德比任何人都重视生物大分子，如维生素A与视紫质在视觉中所起的作用。在哈佛授课时，他常常将人的有机体分解成越来越小的组成部分，很后将人归结为“仅仅是分子的集合”10。瑞典卡罗林斯卡研究所的诺贝尔生理学与医学委员会在颁奖典礼上强调了深入理解视觉过程的分子机制对于医学以及很终对于患者的重要性。学院颁奖人以解释视觉的（量子）物理过程作为开场白：“光由一份一份的能量构成，兼具波和粒子的性质。这些粒子——量子——击中视网膜的时候，就被特化的感光细胞——视杆细胞与视锥细胞捕获。众所周知，一个量子——代表很少量的一份光——就足以启动一个视杆细胞中的反应。”要解释“一个视杆细胞中的反应”，我们必须用到化学知识。现在知道，诸如视紫质11这样的分子是G蛋白偶合受体12，能够启动这种信号反应。很终，我们必须借助生物学才能描述“感觉细胞的兴奋导致信息传递至大脑”从而形成视觉这一过程。由于眼睛和大脑之间没有直接的联系，因此信息必须通过几次传递，将来自多个感觉细胞的信号合并，然后翻译成大脑能理解的语言。很初的信号传递就发生在视网膜内，视网膜是一个复杂的神经网，其结构之美被1906年诺贝尔奖得主神经组织学家拉蒙
    卡哈尔（Ramon y Cajal）揭示。在这个复杂的结构里，来自不计其数的感觉细胞的信息汇入寥寥几个视神经纤维，从而实现信号模式的转化。13

    当今天的眼科医师为患者检查眼睛时，他们依赖于那些被授予诺贝尔奖的研究所带来的重大发现，以及随后对于视觉各个方面的深入研究。涉及的科学领域涵盖了物理学、化学、生物学、动物学、实验心理学、生理学和神经科学。

    深奥的科学知识已经或正在被转化为医学和临床实践。

    如今“转化研究”的定义便是对上述例子的延伸和归纳。它基于科学事实的整合，将来自“询证医学”的事实应用于临床实践，进而扩展到公共卫生问题的可持续解决。

    1.3 何为创新？

    将纳米医学从学术转化为产业，创新是必不可少的。在本书中，我们把“创新”定义为将一个概念或发明转化为创造价值的产品或服务的过程。这里的价值可被定义为商业价值，可以是客户愿意花钱购买的东西，也可以是造福社会和惠及公众的东西。

    在医疗领域，价值必须与促进健康、防病治病、减轻病痛和延长寿命联系起来。

    新的想法或发明并不总是导致创新。一个想法要算得上创新，就必须能以合理的成本复制，而且必须满足一个特定的需求。在商业上，创新之所以产生，是因为企业想方设法进一步满足客户的期许和需求。在社会背景下，创新有助于催生提高公众生活质量的新方法。在金融上，创新应该既为开展创新活动的金融机构也为社会创造价值。例如，“抵押贷款”就是一种重要的金融创新：它提升了房主的生活质量，通过长期抵押贷款偿还本息使家庭有可能获得更好的生活空间。它惠及一个复杂体系中的每个利害相关者并带来稳定的经济增长。

    创新通常分为两类：

    科技稳步发展带来的演化性创新；

    间断的破旧立新式的革命性创新。

    20世纪很伟大的思想家之一，奥地利经济学家约瑟夫
    熊彼特（Joseph Schumpeter）因分析导致资本主义经济增长的活动而闻名。他认为企业家的创新是经济增长的关键驱动力。熊彼特认为市场参与者之间的竞争导致大家渴望寻找新的方式去改进技术，寻找新的方式去做生意，寻找其他能够提高利润率和企业家生活水平的盈利模式。图1.1 解释了他的思维方式14。

    1.4 何为知识产权？

    创新的一个必要条件是一个保护知识产权（Intellectual Property，IP）的法律体系，也就是法律承认的对于创造性思维的专有权。与知识产权相关的法律规定，各类无形资产的所有者被授予一定的专有权，这些无形资产包括发现和发明，包括音乐、文学和艺术作品，甚至包括字词、短语、符号和设计。知识产权的常见类型包括专利、版权、商标及工业设计。

    已知的首部专利法是1474年在威尼斯作为一项经济政策颁布的，它授予发明者对其发明享受专有权。这项威尼斯法规已包含现代专利制度的所有基本要求——新颖性的要求，实用性的要求，对发明进行具体说明的要求。

    1624年5月25日由英国议会通过的垄断法案是英国专例法的靠前次表述，也被视为英国经济从封建过渡到资本主义的重要标志之一。

    同样的，大不列颠议会于1710年4月在安妮女王统治期间通过了安妮法案（The Statute of Anne），将授予版权的权利从私人团体转移至政府和法院，也抢先发售把版权授予作者而非出版商。

    美洲殖民时期，很早的一项定制商业生产权是马萨诸塞州议会在1641年授予塞缪尔
    温斯洛（Samuel Winslow）的——他因为发明了一种新式制盐工艺而被给予10年的定制制盐权——这是美国的靠前件“专利”。

    美国宪法（1787年）包括了一项规定——“确保作者和发明人在有限的时间内享有对其著作和发明的专有权利以促进科学和工艺的进步。”在很初的两个专利法案（17

M·何亨伯格著的《纳米医学（科学产业及其影响）》论述了纳米医学和基因组学所产生的科学、产业和社会影响，详细介绍了相关的科学发现和技术发明，为医疗保健系统的进一步改进提供了更为切实有效的理论支撑和技术保障。本书内容翔实，知识丰富，不仅包括有纳米医学和基因组学的相关概念，还涉及到DNA测序、分子成像、靶向给药、再生医学、免疫治疗、人体植入装置，人体器官的3D打印等前沿信息。本书结构紧凑，图文并茂，是广大读者了解纳米医学和基因组学的重要参考读物。

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