據英國《新科學家》周刊網站近日報道，隨著納米技術、生物技術以及無線通訊技術等領域的迅猛發展和交叉融合，現在，科學家們已經能夠使用無線電信號來對細胞、藥品甚至動物等進行控制了。盡管遠程無線控制醫學這一前沿領域可能面臨著安全性等問題，但是，其發展潛力和蘊藏的好處都讓人不容小覷。
無線生物工程學方興未艾
美國紐約州立大學水牛城分校的阿諾德·普拉勒制造出的線蟲看起來與其他蠕蟲毫無二致，體長約為1毫米。接著，當普拉勒打開一個磁場，這些滑溜的、不斷蠕動的蠕蟲會停止動作，隨后，在猶豫了片刻之后，接著開始向后退。然后，普拉勒將磁場關閉，再打開，一遍又一遍地重復這個動作，蠕蟲會隨著他的拍子跳舞，協調一致地前后移動。
這些都是可以進行遠程控制的蠕蟲。此前，普拉勒和同事已經將納米大小的接收器植入線蟲頭部的神經細胞中。無論何時，只要該接收器探測到高頻磁場，神經細胞就會通電，蠕蟲也因此會轉動。
普拉勒的遠程控制蠕蟲僅僅只是個開始。目前，生物學家們正在研究對其他宿主進行控制;也在研究將接收器植入離子通道、DNA片段和抗體中。他們的目標是使用比無線電更小的電波來控制活體細胞。
這個方興未艾的無線電遠程醫學技術融合了納米技術、生物技術和無線電物理學技術，該領域目前正在為研究人員提供一個強大的研究工具，而且也在創造一類新科學：科學家們將其稱為無線生物工程學或者電磁藥理學。不管叫什么名字，該領域目前正吸引著很多科學家為之而傾倒，而且，其應用潛力也非常大。
美國西北大學的物理學家貝納爾多·巴爾別利尼-阿米德去年幫助美國國家科學基金會組織了一場與這個課題有關的研討會。巴爾別利尼-阿米德指出，一個新的醫學領域正慢慢向我們走來。很多療法，包括基于免疫系統、基因甚至干細胞的療法都有潛力被遠程控制。
與傳統藥物需要經過幾小時才會起作用而且會一直停留在身體里不同，使用無線方法激活的藥物幾乎能立刻起作用或者隨時關閉。美國洛克菲勒大學的薩拉·史坦利表示：“使用無線電場能誘導細胞提供具有治療效果的蛋白質，而采用其他方法做到這一點的成本很高。”
他所在的研究團隊也已經找到了使用無線電波來控制胰島素的生產和釋放的方法。我們甚至能夠大膽設想：下一代用智能手機應用程序激活并起作用的藥物距離我們并不遙遠了。巴爾別利尼-阿米德說：“納米無線系統在醫學治療領域擁有巨大的應用潛力。”
電磁場能“遙控”體內細胞
在很多療法中，科學家們和醫生都會使用強大的磁場來作為治療手段。例如，名叫經顱磁刺激(TMS)的技術通過誘導大腦內的電流來工作，鑒于其具有一定的療效，使用該技術治療抑郁癥在美國已經獲批。
但是，TMS并非一種十分精確的方法，而且，目前，很多科學家正在研發其他專門使用磁場進行疾病治療的方式。2005年，加拿大蒙特利爾綜合理工大學納米機器人實驗室的西爾萬·馬特爾就想出了一個點子：使用磁感應細菌來制造“迷你型”的藥物遞送系統。
馬特爾的具體想法是，使用一種名為MC-1的菌株作為小拖船。MC-1會沿著地球磁場的磁力線游動——它們使用嵌入身體內名為磁小體的結構中的氧化鐵粒子鏈來感應地球的磁場。馬特爾解釋道：“每個磁小體就像一根指南針或者一個納米導航系統。”
2007年，馬特爾的團隊將細菌同大小為其數倍的塑料小珠連接在一起，并且使用由一臺MRI掃描儀產生的、由計算機控制的磁場證明，細菌會遵循精確的路線行進，并且，將它們身上負載的東西鋪展在特定的目標上。隨后，該研究團隊用像細胞一樣的膠囊(脂質體)替換下這種塑料小珠子，接著，再讓脂質體膠囊負載抗癌藥物，該計算機控制的磁場能引導該脂質體膠囊通過血管到達腫瘤所在地。
科學家們已經使用這種方法，引導了很多同納米尺度的磁體依附在一起的抗癌藥物阿霉素通過一只實驗老鼠的肝臟的動脈到達腫瘤。科學家們認為，最新方法可以讓健康的細胞盡量少暴露在強大的藥物下，因此，在治療時副作用應該可以達到最低。馬特爾團隊目前正在研究如何使用這一方法治療直腸癌。
科學家們表示，這一方法真的好處多多，電磁場或許可以通過操控身體內細胞的生物化學特性，從而直接干預身體內的這些內部細胞。這樣的無線控制方法提供的精確度很少有藥物能夠做到。
2002年，美國麻省理工學院的約瑟夫·雅各布森領導的科研團隊證明了這一點。在研究中，他們認識到，金屬納米粒子能夠像天線一樣并從以無線電頻率振動的磁場那兒吸收能量。這些能量可以被轉化為熱，而且，雅各布森還認為，這或許對觸發細胞內部的生物化學變化非常有用。
隨后，他和同事決定用DNA來測試這一想法。他們制造出了DNA片段，其中的堿基對相互依附在一起形成一個像束發夾一樣的圓環。接下來，他們讓一個個金納米粒子依附到每個DNA片段上。當他們打開一個高頻磁場時，來自于納米粒子的熱量會破壞這些堿基對之間的鏈接，而且，這個束發夾一樣的圓環也會彈開。隨后，他們將磁場關閉，分子冷卻下來，鏈接也重新形成。這個循環能夠一遍一遍地重復進行，而且，雅各布森也表示，它或許會成為一個有用的工具，可以用它來控制基因的功能。
普拉勒則認為，這種方法還有其他用途：打開和關閉細胞壁上的小孔。這些以蛋白質為基礎的小孔調節著離子進出細胞的通道，如果能對這一關鍵的過程進行很好的控制，會有非常大的用處。
作為美國加州大學伯克利分校的博士后研究員，普拉勒已經研究了一個名為TRPV1的離子通道，疼痛感應神經元中經常會發現這個離子通道。在身體體溫為正常的37攝氏度時，這個離子通道是關閉著的，但是，如果溫度上升到43攝氏度，TRPV1會打開，而且，鈣離子會通過該通道，觸發一個會制造出熱感的神經脈沖。具體到人體上，辣椒等產生的灼熱感也同TRPV1通道脫不了干系。
剛開始，普拉勒考慮使用一個紅外激光器來打開該通道，但隨后，他無意中看到了雅各布森的研究。他說：“我開始思考另外一個方法，那就是我們能夠使用溫度來直接刺激TRPV1。”計算結果顯示，單個納米粒子無法聚集到足以打開離子通道那么多的能量。但是，他推斷，固定到嵌入有TRPV1的細胞膜上的一小撮納米粒子提供的熱量足以將小孔加熱到43攝氏度。
為了測試這一想法，普拉勒和同事修改了位于細胞膜內的TRPV1附近的一個蛋白質，使得該蛋白質同幾個由鐵錳制成的磁納米粒子依附在一起。隨后，事情果然按照普拉勒他們所想象的那樣進行：他們打開一個強大的40兆赫茲的磁場，在短短的10秒鐘內，通道的溫度上升了6攝氏度，并且，細胞壁上的小孔張開了。
普拉勒的團隊使用秀麗隱桿線蟲(現代發育生物學、遺傳學和基因組學研究重要的模式材料)進行了同樣的測試。他們將他們制造出的TRVP1天線系統添加到線蟲對熱敏感的“鼻子”內，果然不出所料，當鼻子內經過修改的神經細胞探測到磁場時，線蟲避開了對它們來說像熱源一樣的事物。
科學家們幾個月前才開始關注這個開關并研究這個開關的應用前景(《科學》雜志第336期第604頁)。由美國洛克菲勒大學的杰弗瑞·弗里德曼領導的科研團隊制造出了經過遺傳修改的細胞，在這些細胞中，由TRVP1通道釋放出的鈣離子觸發了胰島素的產生。接著，科學家們直接將鐵納米粒子添加到TRVP1通道內，并將細胞直接注射進入實驗老鼠體內。當他們開啟一個以無線電頻率震動的磁場時，實驗老鼠的血糖濃度下降，這意味著胰島素已經生成并開始在老鼠體內“發威”。
弗里德曼的團隊甚至想出了方法讓細胞制造出自己的鐵納米粒子，他們的方法就是賦予細胞合成鐵蛋白(鐵蛋白是一種將鐵原子收集成簇的蛋白質)所必需的遺傳機制。科學家們表示，他們也可以對這一方法稍作改變，使用其來遠程觸發諸如依靠鈣離子的肌肉收縮等過程。它甚至可以用來處理大腦內的腫瘤，這里的腫瘤很難對付，因為血腦屏障讓血液中的大分子無法進入大腦中。
史坦利表示，他們可以通過修改病人自己的干細胞，制造出一種對無線電信號做出反應的重組抗體，而且，他們也可以將其植入中央神經系統中以遞送治療抗體。普拉勒表示：“很多無線控制方法都有望通過這種方法或者其他方法來實現，這很酷。”
如果這類遠程加熱方法能起作用，那么，這種方法也不必破壞鐵通道中的蛋白質或者傷害附近的分子。普拉勒認為，其中一個原因在于它使加熱過程變得更有效。如果他能夠在接下來的研究中，找到方法減少提高離子通道的溫度所耗費的時間，那么，讓附近的分子受到影響的熱能也會相應減少。為此，他正在設計更好的納米大小的熱吸收器。
無線拉伸細胞可誘使腫瘤細胞凋亡
科學家們發現，除了可以使用熱來對細胞進行遠程控制之外，還有其他方法也能對細胞進行遠程控制。美國哈佛醫學院的唐·因格伯進行的研究表明，細胞會通過使用自己身體的扭轉來相互交流。他的團隊發現，他們可以僅僅通過采用特別的方式來拉伸細胞，從而改變細胞內的基因活動的模式甚至觸發細胞自殺——也就是所謂的細胞凋亡。
因格伯的研究團隊采用的方法是，將具有磁性的納米小珠依附到整聯蛋白上，整聯蛋白是一種出現在細胞的外膜內的蛋白質，其會將納米小珠錨定到細胞的外基質上。打開一個磁場會對塑料小珠施加一種力，這個力會拖動整聯蛋白并將細胞拉變形。
2007年，因格伯就已經證明，他能夠將細胞拖成扁平的形狀，而且，當磁場關閉時，細胞會死亡。他表示：“這表明，我們可以通過磁場的關閉這種方式來控制細胞的命運。”而且，他和他的團隊也已經發現，讓一個干細胞變形可以決定它會發育成為哪類身體組織。因格伯解釋道：“力學在發育過程中和基因一樣重要。”
使用磁場拖拉細胞也能影響我們的免疫系統。在另外一套實驗中，因格伯團隊讓磁性納米粒子依附到肥大細胞表面的抗體受體上，這種抗體受體會對特定抗原產生過敏免疫反應。在一個磁場中，納米粒子形成一簇，將這些抗體受體聚攏到一起，其采用的方式與抗原依附于其上一樣。在一般情況下，這個聚簇行為會觸發一系列的生物化學事件，導致組織胺釋放出來——這是一種免疫反應。結果表明，磁場是這一切事件背后的幕后推手。因格伯說：“磁場在這方面表現得非常好。”
因格伯表示，這樣通過無線觸發方法釋放出的組織胺可以更好地控制炎癥。組織胺影響血管擴張、肌肉收縮以及腸道內的胃酸分泌。它也能像神經傳遞素一樣影響人的清醒和睡眠狀態。而且，這種聚簇效應也能同細胞表面的其他分子結合在一起以制造抗癌藥物，例如，制造能觸發腫瘤細胞死亡的抗癌藥物。
目前，普拉勒打算厘清一個問題，那就是，這種遠程加熱技術是否能通過激活動物嗅球內特定的神經元(嗅球是大腦內與處理氣味有關的組織)來刺激老鼠的觸覺。實際上，也就是通過這種方法，讓老鼠“聞到”并不存在的物質。去年，他的團隊接受了美國國立衛生研究院(NIH)提供的130萬美元的資助來研發這項技術。他說：“嗅覺提供了一個大的實驗場地，因為嗅球能夠從外面送達，因此，遞送納米粒子相對來說也比較容易。”
細胞自身或許就擁有無線機制
要想對細胞進行無線控制，小磁鐵可能并非最好的接收器。據《科學美國人》雜志報道，早在2007年，美國加州大學伯克利分校的物理學家亞歷克斯·策特爾就已經證明，納米管完全可以作為無線電接收機來使用：可以被當做一個配備了放大器和諧調器的天線來使用。
為了制造出一個能對無線電波做出反應的納米管，策特爾團隊在該碳納米管的尖端施加了一個電荷。當出現無線電波時，電荷會在管內制造出振動，這種振動能被轉化回來成為一個震動的電磁信號。通過改變碳納米管的長度可以改變其共振頻率——策特爾發現，采用這種辦法能讓納米管與特定的無線電頻率保持一致。策特爾甚至也證明，他的碳納米管無線電接收機能夠通過播送與披頭士樂隊齊名的沙灘小子樂隊的歌曲《Good Vibrations》來重復產生傳送信號。在納米管接收器的音頻輸出那兒，很容易看到這種諧調。
策特爾宣稱，納米收音機可以被“輕松嵌入一個活細胞中，屆時，科學家們可以制造出一個與大腦或肌肉功能接口的裝置，用無線電控制在血管中游動的器件也將不再只是夢想”。
然而，甚至納米無線電接收機可能也并不是必須要有的。科學家們表示，細胞或許擁有自己的無線機制。2009年，法國免疫學家、2008年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者之一呂克·蒙塔尼斷言，DNA分子可以使用無線電波來傳送信息，他之所以做出這一判斷是因為，他找到了從富含細菌的水中傳來的無線電信號，而且，即使當細胞被殺死時，只要他們的DNA完好無損，信號就會保持。
不過，很少有科學家接受這個觀點。但是，去年，美國西北大學的物理學家阿蘭·維多姆計算出，這樣的信號可能源于細菌染色體內的DNA環周圍的電子，此前，科學家們就認為，循環的電荷能產生電磁波。維多姆指出，人們很早就知道，有些古老的細菌能夠通過導電的納米線將其同電網相連。維多姆預測道：“那么，或許會有很多現代細菌會使用無線電來做事。”
安全問題首當其沖
然而，盡管一切看上去都很美好，這項技術的應用潛力似乎也非常大，但是，我們仍然不能忽視可能會存在的問題。其中一個關鍵的挑戰是，如何將所有這些功能(包括感應無線信號并將其變成有用的反應)整合為一個安全的集成系統。很多科學家們也認為，手機等發射出的電磁信號對細胞具有危險的影響，其會改變基因表達甚至誘發癌癥。因此，迄今為止，無線生物工程學這一理念還存在諸多爭議。
安全問題則緊隨其后。今年2月，西雅圖信息安全測試公司McAfee的主管巴納比·杰克表示，他找到了一種方法，可以用無線信號探測糖尿病患者所攜帶的胰島素泵，同時控制這些胰島素泵。他隨后進行的初步研究也證明，依靠無線連接的胰島素遞送系統、起搏器、除纖顫器有可能受到黑客的攻擊或者被修改。有鑒于此，美國政府問責局目前正著手進行調查，以弄清楚是否應該為醫療設備工業制定更加嚴苛的安全規則，研究報告預計今年出爐。
顯然，不管是無意的還是有意為之的，任何這樣的干擾和破壞都會帶來令人擔憂的問題。巴爾別利尼-阿米德表示：“我們應該關注納米世界內計算機和通訊領域的安全問題。未來的醫用無線納米設備必須包含更加嚴謹的安全機制。”
科學家們也表示，盡管面臨著一定的風險，但是，我們應該花大力氣來解決目前面臨的挑戰。這是值得的，因為，無線生物工程學具有非常巨大的應用潛能。
