两位生物材料大牛为Nature Chemical Engineering背书：化学工程将持续在医学领域发光！

小奇

2024-02-27

在20年前发表的一篇论文中，麻省理工学院Robert Langer院士、德克萨斯大学奥斯汀分校Nicholas A. Peppas院士详细分析了生物医学工程的早期以及化学工程对医学的影响。

事实上，化学工程师长期以来一直利用他们在流体力学、材料工程、传质、反应系统、控制理论和工艺设计方面的背景为医学的许多领域做出贡献。其中包括人工器官的开发；血液流变学和血栓形成；组织工程；再生医学；先进的生物材料和医疗器械；受控药物输送系统；基因疗法；先进的疫苗开发；医学影像学；生物传感器；通过将它们固定在适当的载体上、将它们置于有机溶剂中或使用定向进化来改善酶特性的方法；以及对合成生物学的贡献，例如通过设计适当的分子切换系统使哺乳动物细胞承担新的功能。开发用于分析高级生物医学问题的线性和非线性数学模型是化学工程师多年来一直活跃的领域。最近一个证明数学模型有用的例子是预测最佳疫苗接种计划和开发新疫苗。在过去的60年里，生物医学工程已经成为化学工程研究和教育中越来越重要的一部分。化学工程师非常适合解决跨学科的问题，特别是那些需要复杂分子系统的收敛和集成的问题。这篇评论提供了两位院士对化学工程医学的几个历史发展和未来机遇的看法。

生物材料、人工器官和组织工程

新的生物医学材料、组织工程支架以及合成和混合材料的开发使得能够设计和优化新的医疗产品，这些产品对用于医疗应用的特定分析物或治疗剂表现出更好的选择性和特异性。例如，人工器官是一项重要的、拯救生命的发展。人工肾脏每年用于为大约200万患者提供肾脏替代治疗。膜科学和化学工程在实现更好、更安全、更有效的肾透析系统方面发挥了重要作用。人造心脏和其他人造器官也提供了拯救生命的技术。

组织工程可以从第一原理中创造出全新的组织和器官，有望使人工器官进一步发展。例如，通过提取特定的细胞，将它们以正确的配置放置在专门设计的生物材料上，并在适当的生物反应器中生长，细胞可以重组并产生组织。这种方法已经产生了现在临床上使用的人造皮肤，许多其他组织的产生，包括血管、肌腱、脊髓、胰腺、声带、软骨、骨骼、肾脏、角膜和心肌，都在动物或人类身上进行了研究。这种方法还使芯片上的器官或组织能够实现更快速的药物开发方法，因为它们可以实现高通量筛选。这也可能有一天导致动物和人类测试数量的减少。

组织工程研究的关键领域之一是生物材料的开发。直到20世纪下半叶，几乎所有临床使用的生物材料最初都不是为了医疗目的而开发的。负责决定放入人体的材料类型的人是医生，而不是化学工程师。他们采用的策略是用现成的普通物品代替组织或器官，这种物品与他们试图修复的器官或组织相似。现在用于人造心脏的材料是一种聚醚氨基甲酸酯，最初用于女士腰带，因为它具有良好的弯曲性能。用于人造肾脏的材料是由醋酸纤维素制成的肠衣。用于血管移植物（人造血管）的材料是涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯），因为这种材料很容易缝合，而用于乳房植入的材料是润滑剂（如硅胶）或床垫填充物（如聚氨酯）。

这种取下现成材料的方法在一定程度上解决了医疗问题。然而，这些解决方案有局限性。例如，大直径血管移植物可以用涤纶制成；然而，直径小于6毫米的血管移植物可能会导致血栓并失去功能。人造心脏可以发挥作用并挽救了生命。然而，当血液接触到人造心脏表面时，会形成凝块，进入患者的大脑并导致中风。化学工程师做出重大贡献的一个领域是开发合成策略，以创造改进的生物材料，预计这一领域将继续做出重大贡献。Langer实验室和其他几个研究小组使用的一种方法是，从工程、化学和生物学的角度来问一个人想要什么样的生物材料，然后从第一原理来设计和合成生物材料，而不是采取现成的材料。其中一个例子是开发了具有特定氨基酸的聚合物，以实现细胞附着。另一个例子是开发表面侵蚀聚合物，如某些聚酸酐，可以防止更复杂的药物递送系统的剂量倾倒（从而防止毒性）。

药物释放系统

控释系统在有限时间内以预定速率递送药物和或可以将药物靶向特定器官或组织。它们还可以保护敏感药物（如肽和核酸）在发挥作用之前不被破坏。最早设计的控释系统是透皮系统，一旦放置在皮肤上，就可以将药物输送到系统循环中。20世纪60年代，化学工程师和其他科学家研究了膜如何控制不同分子通过皮肤的流量。他们还开发了数学模型来定量预测不同药物通过皮肤的程度。ALZA公司等公司开发了许多用于硝酸甘油、雌二醇和尼古丁等药物的透皮给药系统。

20世纪70年代初，Langer实验室开始研究将蛋白质和核酸等大分子输送到体内的可能性。在此之前，控释递送系统受到限制，因为它们只能缓慢释放非常低分子量（MW<300）的亲脂性分子。事实上，大分子不能从生物相容性生物材料中输送是一个相当普遍的概念。然而，人们发现，通过将某些大分子量分子的粉末添加到含有疏水或亲脂性材料的有机溶剂中，可以形成微粒或纳米颗粒。Peppas教授和其他化学工程师研究了从水凝胶和其他亲水和亲脂性载体中释放小型和大型治疗剂的方法。所有这些研究都导致了治疗许多心血管、自身免疫和其他疾病的新产品的开发。

现在存在多种大分子递送系统，如促黄体生成素释放激素（LHRH）类似物和其他生物分子。例如，可以注射或植入微胶囊或棒形式的控释系统，如Lupron Depot、Zoladex和Decapetyl。这些系统缓慢释放LHRH类似物（MW为1200）长达6个月，并已被数百万患者用于治疗晚期前列腺癌症或子宫内膜异位症。类似的系统被用于治疗其他形式的癌症、心脏病、阿片类药物成瘾、关节炎、精神分裂症和许多其他疾病。最近，脂质纳米颗粒形式的药物递送系统已被用于递送siRNA（OnPattro），以敲低导致ATTR淀粉样变性（一种神经疾病）的基因。脂质纳米颗粒还使mRNA得到保护，并被输送给全球数十亿人，为新冠肺炎提供疫苗和加强剂，拯救了数百万人的生命。化学工程师不仅在设计众多系统以实现药物递送方面发挥了关键作用，而且在为递送系统创造新材料、指导药物递送系统开发的数学模型以及3D打印等新制造方法方面也发挥了重要作用。

图|当遗传学与纳米医学相遇 (Nature Nanotechnology)

未来方向

该领域还有其他最新进展，包括“智能载体”的设计，该载体作用于周围生物或生理流体的热力学变化，以随意递送治疗剂。这一点确实很重要，因为患者治疗已经转向对外力做出反应的系统，就像化学系统在非生物应用中也会这样做一样。

经典化学工程中发展起来的计算、分子设计以及先进的热力学模型和理论的进步现在正直接应用于医学问题的解决。例如，强大的计算方法的出现允许计算多功能系统中的热力学性质，从而预测“真实”生物系统中的新型医疗设备，包括蛋白质、抗体、脂质和细胞相互作用。

沿着这些路线，一个潜在的未来方向涉及对细胞凝聚物的作用进行建模。例如，转录控制中核酸的建模表明了一种非平衡反馈控制机制，其中低水平的RNA促进静电相互作用形成的缩合物，而高水平的RNA则促进这些缩合物的溶解。了解这些现象可以更好地了解疾病的发展以及新疗法的设计。在理解多组分系统的热力学行为方面的进展有望预测模拟系统的特征，该系统具有设计表面的相关能力，该表面包括系链、抗体和细胞，并且可以分别作为有益或非有益化合物的引诱剂或排斥剂。

人工智能是另一个将帮助化学工程师开发新的诊断和治疗方法的领域。在更好地理解血管生物学和预测大脑功能，特别是使分子能够穿过血脑屏障的机制方面，也将有重要的研究。通过其他生物屏障的运输，包括肠道、眼睛和耳朵，也是研究的基本领域。

融合原则和大学内跨学科研究所的发展有望使医学取得原本不可能取得的进步。生物学正在进行的“革命”，加上对化学工程科学的深入理解，将为生物医学领域的化学工程师带来教育和研究机会。

参考文献：

Langer, R., Peppas, N.A. A bright future in medicine for chemical engineering. Nat Chem Eng 1, 10–12 (2024).

https://doi.org/10.1038/s44286-023-00016-y