生物物理學(xué)家開(kāi)發(fā)出復雜的成像技術(shù)。 圖片來(lái)源：生物物理學(xué)組織網(wǎng)
◎本報記者 劉 霞
據發(fā)表于《自然》雜志網(wǎng)站的一篇文章解釋?zhuān)镂锢韺W(xué)指在跨越分子、細胞、組織和生物體的尺度上研究生物的物理現象和物理過(guò)程的學(xué)科，它利用物理學(xué)的原理和方法來(lái)理解生物系統。
西班牙《世界報》網(wǎng)站在近日的報道中指出，生物物理學(xué)能夠讓斷骨再生，或者將藥物送達人體內某個(gè)器官，甚至揭示生命的奧秘，已經(jīng)成為當前最具前景的研究領(lǐng)域之一，有可能掀起下一輪醫學(xué)革命。
兩門(mén)學(xué)科相得益彰
生物物理學(xué)組織網(wǎng)報道稱(chēng)，1953年，科學(xué)家們借助生物物理學(xué)揭示了DNA的結構，這一發(fā)現對于揭示DNA如何成為生命的“藍圖”至關(guān)重要?，F在人們可以讀取人類(lèi)和多種生物體的DNA序列，生物物理學(xué)技術(shù)對分析這些海量數據不可或缺。
生物物理學(xué)領(lǐng)軍者之一、美國哈佛大學(xué)物理學(xué)和應用物理學(xué)教授戴維·韋茨稱(chēng)，生物物理學(xué)也可被理解為一門(mén)從大自然獲取靈感以創(chuàng )造新材料的學(xué)科，但人們也能反過(guò)來(lái)看：對無(wú)生命材料的研究正在幫助科學(xué)家更好地理解生命。
韋茨表示：“隨著(zhù)對生物材料的理解越來(lái)越深，我們可以運用所獲知識來(lái)了解有關(guān)活體材料的事情。生物學(xué)和物理學(xué)相得益彰，因為它們提供了兩種截然不同的看待事物的方式：生物學(xué)家研究‘個(gè)別分子的每處細節’，而物理學(xué)家在分析了‘蛋白質(zhì)的許多相互作用’之后，對問(wèn)題形成更全面的看法?！?/p>
制造新型藥物
近年來(lái)，生物物理學(xué)最重要的應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，要歸功于科學(xué)家們從生物膜中獲得了靈感，同時(shí)運用了物理原理。
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)為科學(xué)帶來(lái)了無(wú)窮的可能性，無(wú)論是物理、化學(xué)還是生物領(lǐng)域，我們可以為改善這個(gè)世界貢獻很多東西?！?/p>
推進(jìn)組織工程
生物物理學(xué)富有前景的應用領(lǐng)域之一是組織工程，即制造類(lèi)似于活體組織的人工材料。這將在醫學(xué)上擁有廣闊的應用空間，如讓人們擁有為自己“量身定做”的材料來(lái)修復或替換受損器官。
這里也不能缺少起著(zhù)重要作用的物理學(xué)知識。韋茨說(shuō)：“如果你想要得到一種組織物，就得構造一些東西：細胞、細胞周?chē)臇|西，你得讓它們按照某種方式生長(cháng)，還必須把它們組織起來(lái)?！?016年，韋茨的團隊培育出一種人造肝臟組織，用于測試新藥物的療效。
也有一些團隊正在研究人造心臟。為了從頭開(kāi)始構建人類(lèi)心臟，研究人員需要復制構成心臟的獨特結構，包括重建螺旋幾何形狀——當心臟跳動(dòng)時(shí)，心肌會(huì )產(chǎn)生螺旋幾何形狀的扭曲運動(dòng)。
今年7月，哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應用科學(xué)學(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)發(fā)了第一個(gè)具有螺旋排列跳動(dòng)心臟細胞的人類(lèi)心室生物混合模型，并證明其肌肉排列確實(shí)會(huì )顯著(zhù)增加每次收縮時(shí)心室泵出的血液量，這項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。相關(guān)研究結果發(fā)表于今年7月7日出版的《科學(xué)》雜志。
但韋茨警告說(shuō)，這個(gè)領(lǐng)域并不簡(jiǎn)單。他說(shuō)：“組織工程學(xué)領(lǐng)域碰到的問(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)如果你骨折了，就可以去‘打印’一些東西來(lái)幫助骨頭愈合?！?/p>
他認為，雖然實(shí)現這樣的目標非常困難，但“它正在到來(lái)”。
設計更好生物材料
生物物理學(xué)對于理解生物力學(xué)也至關(guān)重要，而掌握了生物力學(xué)原理，有助于設計更好的假肢、更好的用于藥物輸送的納米材料等。
韋茨預測的另一項重大突破，正是關(guān)于在人體內運輸新一代藥物的，這些藥物有望深刻改變許多治療方法。他說(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)胃進(jìn)入血液系統。但現在，人們開(kāi)始研究更大的分子，所以，如何運輸它們就成了必須關(guān)心的問(wèn)題?！?/p>
正在用于治療新冠肺炎的單克隆抗體或細胞療法是一些已經(jīng)應用的例子，但韋茨認為還有許多可能性正在顯現。他說(shuō)：“我從尋找新藥和新運輸方式中看到一種巨大的機遇。隨著(zhù)癌癥治療變得越來(lái)越復雜，我們需要更多精練的藥物輸送系統，可以同時(shí)提供多種具有不同化學(xué)成分的藥物?！?/p>
2019年5月，SEAS研究人員在《美國國家科學(xué)院院刊》上撰文稱(chēng)，他們開(kāi)發(fā)出一種納米尺寸的藥物輸送載體，可以同時(shí)更有效地提供多種藥物。該系統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%的腫瘤細胞。
改進(jìn)醫學(xué)成像
生物物理學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出復雜的診斷成像技術(shù)，包括核磁共振成像、CT掃描和PET掃描。生物物理學(xué)仍然是發(fā)展更安全、更快、更精確技術(shù)的關(guān)鍵，這些技術(shù)可以改進(jìn)醫學(xué)成像，并帶給人們更多關(guān)于人體內部運作的知識。
2017年10月4日，瑞士生物物理學(xué)家雅克·迪波什、德裔生物物理學(xué)家約阿基姆·弗蘭克和蘇格蘭分子生物學(xué)家、生物物理學(xué)家理查德·亨德森因研發(fā)冷凍電鏡，簡(jiǎn)化了生物細胞的成像過(guò)程，提高了成像質(zhì)量，榮獲諾貝爾化學(xué)獎。
正如科學(xué)家所指出的，生物物理學(xué)是一個(gè)處于研究前沿的科學(xué)領(lǐng)域，正在以驚人的方式改變人們對生物學(xué)的理解和醫學(xué)實(shí)踐。
